25-летняя аспирантка ЮУрГУ исследует несовершенства структуры железа с помощью суперкомпьютера

Нельзя сказать, что прекрасная половина человечества не представлена в науке. Однако стоит признать, что выдающихся женщин-ученых не так-то много. Тем более в физике. На ум приходит разве что Мария Склодовская-Кюри – выдающийся физик и химик, дважды лауреат Нобелевской премии. Но ее судьба трагична: она посвятила жизнь науке и умерла из-за нее же. Долгие годы Склодовская работала с радиоактивными изотопами без защиты и даже носила ампулу с радием как талисман. Результат – смерть от лейкемии.

Однако не все так печально. Сегодня мнение о том, что серьезной наукой могут заниматься только мужчины – набивший оскомину стереотип. И герой, вернее, героиня этого материала – яркое тому доказательство. Анастасия Верховых – аспирант кафедры «Общая и теоретическая физика» Физического факультета ЮУрГУ, автор статей в российских и зарубежных научных журналах, победитель грантов и обладатель многочисленных стипендий. Она занимается исследованиями взаимодействия атома водорода с дефектами решетки, возникающими в ОЦК-железе под воздействием внешних факторов, при помощи методов компьютерного моделирования.

Разговор о первопринципном моделировании за обедом

Мы сидим в университетской столовой в разгар обеденного перерыва. Бодрые студенческие голоса, смех, звон посуды – «симфония» беззаботного студенчества во время большой перемены. Шумный аккомпанемент не мешает Анастасии Верховых, молодому физику, объяснять мне, безнадежному гуманитарию, строение объемно-центрированной кубической решетки (ОЦК). Про водородное охрупчивание и скопление атомов водорода в кристаллической решетке она рассказывает так же непринужденно и легко, как иной пересказывал бы сюжет вечерних новостей.

«Дефекты сплавов железа – актуальная проблема даже сегодня, – признается Анастасия Верховых, – потому что идеальных кристаллических решеток не бывает. Избежать дефектов сплавов стали практически невозможно, но в этом и нет необходимости – доказано, что металлы с дефектами, как ни странно, прочнее».

Чтобы обосновать значимость исследований Анастасии, придется вернуться более чем на сто лет назад. Первое упоминание о влиянии водорода на механические свойства металлов относится к 1875 году. В нем говорится о снижении напряжений вязкого и хрупкого разрушений стали при наличии водорода. Позже подобное явление было обнаружено и в других металлических системах. Однако в настоящее время нет четкого понимания механизмов водородного охрупчивания металлов. Предполагается, что примесь водорода проникает в сталь при выплавке, во время различных процессов металлообработки или при эксплуатации стальных изделий, и благодаря своему малому радиусу водород занимает междоузлия кристаллической решетки. Если в материале присутствуют дефекты, то он взаимодействует с ними. Все это влияет на кинетические и термодинамические свойства материала.
Как известно прочность является одним из важнейших функциональных свойств конструкционных материалов. Физическая природа разрушения твердых тел кроется в обстоятельствах разрыва атомных связей под действием локальных напряжений и термических флуктуаций. Конкретизировать эти обстоятельства можно, если рассмотреть проблему на атомарном уровне. К сожалению, экспериментально это сделать не всегда возможно. Наряду с традиционными методами физического эксперимента все большее внимание уделяется методам компьютерного моделирования. А для этого в Южно-Уральском государственном университете есть и технические возможности, и интеллектуальный потенциал ученых.

Сказ об «СКИФ-Урале»

В 2007 году в рамках национального проекта «Образование» ЮУрГУ получил финансирование на приобретение суперкомпьютера «СКИФ-Урал». В 2008 году в университете был открыт Суперкомпьютерный центр для моделирования прикладных и фундаментальных исследований. Следующий шаг – введение в эксплуатацию суперкомпьютера «СКИФ-Аврора», который на порядок превосходит по мощности своего «уральского собрата». Сегодня эксплуатируется суперкомпьютер «Торнадо ЮУрГУ», который является частью суперкомпьютера «СКИФ-Аврора ЮУрГУ», но для повышения надежности был сконфигурирован как самостоятельный суперкомпьютер. В ноябре 2013 года «Торнадо ЮУрГУ» занял 127 место в 42-ой редакции рейтинга самых мощных компьютеров мира TOP500.

Получив возможность работать с Суперкомпьютерным центром, ученые кафедры общей и теоретической физики (и Анастасия Верховых в их числе) занялись расчетом электронной структуры кристаллов при помощи программного пакета WIEN2k. Он широко распространен в мире, и позволяет получать результаты с достаточно высокой точностью. В его основе лежит метод функционала плотности в приближении Кона-Шэма, который используется при изучении свойств многоэлектронных систем. Высокая точность метода позволяет прогнозировать характерные особенности будущего металла и создавать теоретические предпосылки в разработке новых материалов с заранее заданными свойствами.

«Мы занимаемся ab initio моделированием, то есть первопринципным моделированием, – рассказывает Анастасия Верховых. – Это значит, что у нас нет подгоночных параметров, есть только постоянные решетки. Исходя из этого, мы пытаемся вычислить нужные параметры. Сделать это на обычном компьютере невозможно. Для самого простого вычисления иногда может понадобиться двое суток и 500 Гигабайт места для временных файлов. Для этого нужно как минимум 32-ядерный процессор. Локальные же компьютеры обладают мощностью максимум в 4 ядра».

В физике – только девушки

Актуальность проблемы дефектов сплавов доказывают множественные исследования и поиски физиков по всему миру. По словам Анастасии, статья, которая была подготовлена ею в соавторстве с коллегами и опубликована в престижном зарубежном издании «Molecular Physics» («Молекулярная физика») в 2013 году, очень во время увидела свет. Если бы ученые ЮУрГУ выслали материалы чуть позже, было бы уже гораздо сложнее объяснить издателям, в чем на данный момент актуальность этих научных выводов в свете достижений других физиков.

Своими исследованиями и расчетами Анастасия Верховых и ее коллеги с Физического факультета занимаются совместно с кафедрой «Физическое металловедение и физика твердого тела» Физико-металлургического факультета. Научные школы возглавляют два брата: Александр Аминулаевич Мирзоев (научный руководитель Анастасии) и Джалал Аминулович Мирзаев. Не заметная на первый взгляд разница в написании отчества и фамилии – не описка автора этой статьи. Именно так они прописаны в паспорте. Научный руководитель за последние годы стал для Анастасии Верховых практически вторым отцом: несмотря на глубокую преданность науке, превыше всего для него семья. Осознание этой ценности он передал и своей аспирантке.

   Отвечая на вопрос как ей, молодой девушке, удается справляться с непростыми физическими и математическими задачами, Анастасия говорит, что все дело в правильном настрое и мотивации. «Когда я училась в выпускном классе, я часто болела, из-за чего меня хотели выпустить со справкой вместо аттестата. На физический факультет я поступала наряду с парнями – медалистами и победителями олимпиад. В итоге никто из них так и не доучился до последнего курса, а я выпустилась с красным дипломом. Не собираюсь останавливаться на достигнутом – нужно привлекать молодежь, заинтересовывать новых молодых ученых,» – произнесла 25-летняя девушка в заключении интервью в уже опустевшей столовой.

Справка

Анастасия Верховых родилась 10 января 1989 года в городе Челябинске. В 2012 году получила диплом магистра «Прикладные математика и физика» с отличием, поступила в аспирантуру физического факультета на направление «Физика конденсированного состояния» (срок обучения 4 года). Пишет кандидатскую диссертацию на тему «Влияние дефектов структуры на растворение водорода в железе».

Является обладателем стипендии администрации г. Челябинска (2010 г.), губернатора Челябинской области (2011 г.) и законодательного собрания Челябинской области (2013 г.).

Победитель конкурса на соискание грантов промышленной группы «Метран» для студентов, аспирантов и молодых ученных (2011 г.); лауреат Всероссийского молодежного конкурса научных работ по современным проблемам фундаментальных и прикладных наук (МФТИ-2012 г.); победитель областного конкурса научно-исследовательских работ студентов, аспирантов и молодых ученых высших учебных заведений, расположенных на территории Челябинской области (2013 г.).

Принимает активное участие во Всероссийских и Международных научных конференциях и школах-семинарах. Опубликовала семь работ в журнале «Вестник ЮУрГУ» (рекомендован ВАК), работу в журнале РАН «Физика металлов и металловедение», статью в зарубежном издании «Molecular Physics».