НАУЧНЫЕ МАРШРУТЫ

Сидней (Австралия), Санкт-Петербург (Россия), Бостон (США) -- маршруты последних месяцев уходящего года основных научных командировок академика А.РЕБРОВА, заведующего отделом разреженных газов Института теплофизики СО РАН. Он подготовил специально для "НВС" некий дневник своих поездок за Урал и на далекие континенты в июле, сентябре и октябре, тем самым отмечая интересные события и подводя итоги уходящего двухтысячного года.

Эмблема -- первый спутник Земли

В Сиднее в июльские дни состоялся 22-ой Международный симпозиум по динамике разреженных газов. Этот форум специалистов по кинетической теории газов, аэродинамике космических летательных аппаратов, физике и механике вакуумных технологий, специалистов по неравновесным процессам в неоднородных газах, диссоциированных и ионизованных средах регулярно собирается раз в два года, начиная с 1948 г. Первый симпозиум был инициирован французским ученым Марселем Девьеном после запуска первого спутника Земли. Советский спутник был принят в качестве эмблемы Симпозиума по динамике разреженных газов и свято сохраняется таковым уже более 50 лет.

Проведение 22-го симпозиума в Австралии явилось, в определенной мере, знаком уважения знаменитому австралийскому ученому Грэму Берду -- разработчику методов Монте-Карло применительно к проблемам динамики разреженных газов. Кстати, в этом году он отметил свое семидесятилетие. Его имя наиболее ярко высвечивается в связи с концептуальной революцией в динамике разреженных газов. Еще добрый десяток лет назад были дискуссии о степени приближения прямого статистического моделирования к решению уравнения Больцмана, а также о границах использования методов Монте-Карло при решении задач динамики разреженных газов. В настоящее время эта тема перестала быть актуальной, по крайней мере, для специалистов по динамике разреженных газов. Из программы симпозиума практически ушла проблематика развития прямого статистического моделирования как вычислительного метода. Современные компьютерные возможности позволили разыгрывать столкновения частиц с выводом макроскопических параметров не только в разреженных потоках, но и в достаточно сплошных, когда уже появляются эффекты неустойчивого поведения газов мольного масштаба.

Кинетическая теория газов и решения уравнения Больцмана по-прежнему занимают важное место в тематике симпозиумов, во-первых, по причине неисчерпанного теоретического богатства великого интегро-дифференциального уравнения, во-вторых, по инерции научных школ.

Если отмечать особенности, то расширилась тематика в сторону прикладных проблем конкретных вакуумных технологий. Пожалуй, это объясняется двумя причинами, во-первых, произошло оправданное снижение ассигнований в эту научную область, связанных с освоением космоса, во-вторых, интенсивное развитие нанотехнологий, технологий с субмикронными изделиями как бы перевело в разряд фундаментальных исследования течения газов в сложных каналах при наличии эффектов разреженности. Это не нужно понимать формально.

Повышение требований к точности описания процессов достаточно часто упирается в решения новых фундаментальных проблем.

Создание наноразмерных механизмов и сенсоров, а также продолжающийся бум в создании безмасляных механических средств получения вакуума в диапазоне от 10 до 10--11 мм рт.ст. стимулировали целый поток исследований, таких, которые еще недавно были в стороне от интересов сообщества исследователей динамики разреженных газов.

Австралия оказалась далекой не только для россиян. За рубежом тоже не роскошествуют на дальние командировки. На последнем симпозиуме собралось лишь около 120 участников. Сравним: в 1982 году 13-й симпозиум был проведен у нас, в Академгородке; сюда прибыло более 90 иностранцев, а всего приняло участие около 250 человек.

Сибирское отделение было представлено 11 докладами из институтов Теплофизики и Теоретической и прикладной механики СО РАН. Эти институты признаны в мире научными центрами с высоким уровнем исследований по динамике разреженных газов. Не случайно профессор М.Иванов избран в Сиднее членом Международного совещательного комитета симпозиумов, в котором до этого от России сотрудничали профессор С.Борисов (г. Екатеринбург), профессор М.Коган (г. Жуковский), академик Ю.Рыжов (г. Москва) и автор этих строк.

Очередной симпозиум -- уже в следующем тысячелетии -- в 2002 году состоится в Канаде. По-видимому, он будет организовываться также, как и последний -- по интернету. Организация научного мероприятия по интернету имела свои издержки. Она требовала большего внимания от участников, но облегчила сбор информации по электронной почте. Возможно, это сыграло злую шутку с участниками симпозиума из-за россиян. Из заявленных из России докладов значительная часть не была представлена, что привело, например, к полному срыву одной из секций.

К сожалению, близкое к этому случается и на наших внутренних научных мероприятиях. Эта необязательность родилась, по-видимому, намного раньше представляемых научных результатов.

Будущее исследований по динамике разреженных газов смотрится оптимистично. Выскажу уверенность, что общность научных идей и традиционное научное сотрудничество специалистов в этой области приведут к новым успехам. Что касается перспективных научных направлений, можно ожидать углубления исследований по плазменным вакуумным технологиям и процессам взаимодействия микроскопических и субмикроскопических биологических объектов с окружающей средой. Происходило и происходит расширение тематики в область процессов с резким, выражаясь терминологией описания сплошных сред, разрывным изменением параметров. На локальных масштабах разрывов методам динамики разреженных газов нет альтернативы. Пусть это звучит не как предсказание, а как приглашение к исследованиям.

Проблема граничных условий

Взаимодействие атомов и молекул с поверхностью является фундаментальной междисциплинарной проблемой с приложениями -- от газодинамики космических летательных аппаратов до технологий, основанных на физико-химических превращениях на интерфейсе газ-поверхность. По существу, это проблема граничных условий при течениях газов около конденсированных поверхностей. Решается она на различных уровнях описания -- привлечения понятий о скачках температуры, плотности, концентрации газов у поверхностей, выраженных через интегральные коэффициенты аккомодации молекул на поверхности, а также на уровне микроскопического описания взаимодействия молекул газа с ансамблем приповерхностных частиц конденсированной среды.

В 2000 г. комитеты отдела науки о поверхности и научно-технического отдела международного союза по вакуумной науке, технике и приложениям (IUVSTA) впервые приняли решение провести специализированный рабочий семинар (Workshop) по тематике взаимодействия газов с поверхностью. Этот семинар (32nd IUVSTA Workshop) был организован Институтом теплофизики СО РАН и Институтом высокопроизводительных вычислений и баз данных Санкт-Петербурга и был проведен 25--29 сентября в пригороде Санкт-Петербурга -- Репино. (Здесь А.Ребров выступил как председатель оргкомитета конференции.)

Специалисты обсуждали последние достижения в теории элементарных и интегральных эффектов вместе с соответствующими экспериментами. Планировалась координация исследовательских программ в различных центрах и обсуждение стратегических направлений работы. Эти цели были достигнуты. Семинар оказался достаточно представительным. В нем приняли участие известные ученые из Японии, США, Великобритании, Франции, Голландии, Италии, Украины, России.

Детальное обсуждение материалов докладов позволило создать обстановку неформального общения при оценке глубины решения отдельных проблем и найти пути сближения исследований к научной кооперации.

При современном уровне методов прямого статистического моделирования, нуждающихся лишь в микроскопических столкновительных константах, центр тяжести исследований в газах и плазме низкой плотности существенно сместился в область взаимодействия молекул с поверхностью.

По поводу современного состояния исследований в России по результатам подготовки и проведения семинара можно констатировать следующее. Наиболее интенсивно, интересно и на высоком уровне ведутся экспериментальные исследования взаимодействия газов с поверхностью в УрГУ (проф.С.Борисов). Направленность приложений этих исследований очевидна как для вакуумных технологий, так и для газодинамики космических летательных аппаратов. Особенностью работ в УрГУ является создание новых методов определения коэффициентов аккомодации, в частности, по декременту затухания колебаний пластины в вакууме.

В ИТПМ СО РАН (проф. М.Иванов) разработаны методы прямого статистического моделирования для определения коэффициента аккомодации по экспериментальным данным для скачков температуры и скорости при движении газа низкой плотности у поверхности.

В Санкт-Петербургском университете (О.Аксенова и др.) достаточно информативно представлены исследования влияния шероховатости на коэффициенты аккомодации. В этом направлении в мире происходит накопление методов и данных и пока еще не видны просветы магистральных обобщений.

В Институте высокопроизводительных вычислений и баз данных (проф. А.Богданов) разрабатываются теоретические модели взаимодействия газов с поверхностью, основанные на классических и квантовых подходах определения констант взаимодействия молекул с поверхностью с использованием распараллеливания вычислений на многопроцессорных системах. Продуктивность этой деятельности будет зависеть от того, насколько тесно будет взаимодействовать эта высокопрофессиональная группа с экспериментаторами.

Полезным продвижением в Московском авиационном институте (проф.С.Свирщевский) является разработка схем и моделей расчета взаимодействия ионов с поверхностью как при рассеянии, так и при распыле. Используется хорошо известная модель факела рассеяния молекул, предложенная Ночилла в начале шестидесятых годов.

В совместной работе Института теоретической и прикладной механики СО РАН и Института неорганической химии СО РАН (проф. И.Игумнов) ведутся исследования явлений самоорганизации при столкновении макромолекул с силиконовой поверхностью. Конкретные исследования самоорганизации фталоцианин-медных ассоциаций на поверхности относятся к одному из наиболее актуальных направлений физики поверхностей при взаимодействии с газовым окружением. В настоящее время за рубежом отмечается усиливающийся поток подобных исследований с акцентом изучения процессов в биологически активных слоях наноразмерных толщин.

В Институте теплофизики СО РАН продолжена разработка экспериментальных методов определения столкновительных характеристик при использовании тонкой проволоки в качестве датчика температуры и теплового потока в высокоскоростном потоке одноатомных и молекулярных газов.

При изучении столкновительных характеристик молекул на микроскопическом уровне наиболее актуальной, с точки зрения мировой науки, является ориентация экспериментальных и теоретических исследований на создание моделей взаимодействия молекул с заданной кристаллической структурой.

Для будущего важно сотрудничество групп ИТ СО РАН, ИТПМ СО РАН и УрГУ с научными группами из Франции, Голландии, Италии, а также наметившееся сотрудничество группы из УрГУ и Института высокопроизводительных вычислений и баз данных (Санкт-Петербург) с группой Университета Манчестера (Англия). На этом пути просматриваются интересные перспективы.

Симпозиум Американского
вакуумного общества

Проводимый ежегодно в США симпозиум, посвященный получению и измерению вакуума, тонким пленкам, физике поверхностей и нанотехнологиям, давно стал зеркалом решения фундаментальных и прикладных проблем новейших высоких технологий, определяющих, без какого-либо преувеличения, цивилизацию общества в будущем столетии в ряде ключевых проблем науки и ее приложений. Автор этих строк участвовал в симпозиуме с докладом по проблеме, которую можно считать традиционной для специалистов по динамике разреженного газа -- это обзор по свободным струям для вакуумных технологий. Но охват новых проблем на симпозиуме заслуживает большого внимания, чем обсуждение традиционных проблем.

На октябрьском симпозиуме в Бостоне (США) было проведено 128 сессий и представлено около 1400 докладов, включая стендовые. Всего зарегистрированных участников, вместе с персоналом технической выставки и общеобразовательных курсов, было около 3000.

Одним из наиболее интересных направлений явилась проблематика биоинтерфейсов. Обсуждались последние достижения фундаментальных исследований взаимодействия биомолекул и клеток с поверхностями. Они важны для биологии и медицины в связи с быстрым прогрессом в биотехнологии и биотехнике. Главная цель -- построение моделей биоповерхности, подобно тому, как это успешно делалось для полупроводников и каталитических процессов.

Этим проблемам было посвящено около ста докладов. Междисциплинарная природа этих исследований отражена и в совместных заседаниях с секциями науки о поверхности, науке о нанообъектах, секций материалов для электроники и специализированных технологических приемов. Достаточно упомянуть название заседаний: взаимодействие протеинов с поверхностью, взаимодействие пленок с поверхностью, наномасштабная биология, биосенсоры, биомолекулярная идентификация поверхности, вода в биоинтерфейсах и др. Доклады возбуждали активность участников, особенно молодых. Залы были переполнены так, что буквально яблоку негде было упасть. Обидно, что все это проходило при полном отсутствии специалистов из России.

Новой на симпозиуме была секция индустриальной экологии, где рассматривались проблемы физики экологического мониторинга и техногенного воздействия на поверхности в экологических аспектах.

Современные проблемы микроэлектроники, -- представленные на секциях диэлектриков, электроники, плоских панелей дисплеев, полупроводников, получения и диагностики поверхностей, -- традиционно занимали большую часть программы.

Передний край новейшей вакуумной техники и технологий -- создание микроэлектромеханических систем, наномасштабных технологий, в частности, создание и применение нанотруб (молекулярных труб ангстремных размеров) -- также широко освещался на симпозиуме.

Традиционная тематика получения пленок обогатились работами по получению, исследованию и применению органических пленок.

Автор не считает себя специалистом в вышеупомянутых проблемах, но достаточно информирован о тенденциях новых исследований.

Современное научное вакуумное сообщество занято, в основном, исследовательскими границами вакуумных технологий, а не проблемами традиционной вакуумной техники. К сожалению, готовящаяся сейчас на 2001 г. российская конференция по вакуумной технике и технологиям в большей части обращается именно к проблемам создания средств получения вакуума, а не к тончайшим вакуумным технологиям. Да, наша техника вынуждена идти вдогонку, но академическая наука должна и обязана, уж если не по всему фронту, то в ряде прорывных направлений, идти в строю мировой науки.

Потеря информации чревата неизбежностью быть на обочине мирового прогресса. Считаю недопустимым скупость, не позволившую специалистам из нескольких (6--7) институтов СО РАН участвовать в таком международном форуме. Провоцируя против скупости, сообщаю, что следующий 48-ой Международный симпозиум Американского вакуумного общества состоится 28 октября -- 2 ноября 2001 г. в Сан-Франциско. Такие симпозиумы привлекательны еще и сопровождением труднообозримыми выставками изделий, технологий и приборов. На выставке последнего симпозиума участвовало более 200 фирм.

Несколько слов следует сказать об Американском вакуумном обществе.

Формально оно объединяет только физических лиц более 6000. Функционирует как хорошо отлаженный механизм, ориентированный не только на проведение конференций, но и на издание журналов, организацию обучения специалистов разного уровня по всем вопросам вакуумных технологий, а также -- учреждение премий, наград, реализацию информационного обеспечения членов общества и даже хранение истории вакуумной техники и технологии. Любопытная иллюстрация: на последнем симпозиуме был представлен доклад о патентах Эдиссона. Их было более 1000. Весьма любопытно было узнать, что большинство из них относятся к пленочным технологиям. Некоторые звучат настолько актуально, как будто из настоящего времени.

Еще одна, но грустная, информация. Материалы симпозиума публикуются в журналах "Journal of Vacuum Science and Technology", серии A и В. Но этот журнал сейчас появляется в СО РАН почти случайно, а по интернету статьи недоступны без оплаты.

И все же, хотя наша вакуумная техника и приборный парк в стране далеко не дотягивают до мирового уровня, в институтах Сибирского отделения, насколько мне известно, есть не только понимание мирового уровня высоких технологий, но и отчаянно-усиленное стремление пробиться на передний край науки. Дорожить надо этим.