ФИЗИЧЕСКАЯ МЕЗОМЕХАНИКА
НА ПОРОГЕ НОВОГО ЭТАПА
С 9 по 12 сентября в Томске работала Международная школа-семинар «Многоуровневые подходы в физической мезомеханике. Фундаментальные основы и инженерные приложения». В настоящее время многоуровневые подходы физической мезомеханики признаны актуальными в самых разных областях науки — в физике, механике, химии, геологии, биологии и материаловедении, а также в многочисленных инженерных приложениях. В области наноматериалов и нанотехнологий альтернативы такому подходу нет.
Е.Г. Астафурова, к.ф.-м.н,
ученый секретарь оргкомитета
Школа была организована Сибирским отделением РАН, Институтом физики прочности и материаловедения СО РАН, Институтом теоретической и прикладной механики СО РАН, Российским фондом фундаментальных исследований, Томским государственным и Томским политехническим университетами.
О масштабе форума и значимости обсуждавшихся проблем свидетельствует состав оргкомитета, в который вошли крупные ученые из США, Великобритании, Италии, Франции, Германии, Испании, ведущих научных центров России — Новосибирска, Томска, Москвы, Санкт-Петербурга, Иркутска и Перми.
Вся многовековая история развития механики связана с инженерными приложениями в научно-техническом прогрессе. В последние десятилетия резко возросла роль механики в конструировании материалов новых поколений, имеющих сложную внутреннюю структуру и работающих в сложных условиях большого нагружения. Разработка наноструктурных материалов потребовала развития принципиально новых направлений в механике.
В основе традиционной механики лежал одноуровневый подход к описанию механического поведения нагруженного твердого тела на макромасштабном уровне. На современном этапе в механике развиваются многоуровневые подходы, в которых самосогласованно должны описываться процессы в нагруженном твердом теле в иерархии масштабов: нано, микро, мезо и макро.
Многоуровневость подхода связана не только с размерным масштабным фактором. В сложных полях внешних воздействий (механических, тепловых, электромагнитных, радиационных и др.) изменяются термодинамические состояния материала, которые определяют все остальные его характеристики. Поэтому в механике должны широко использоваться методы современной физики. С учетом актуальности приложений механики к современному материаловедению, в последние десятилетия в России интенсивно развивается физическая мезомеханика материалов, в которой термин «мезо» означает необходимость самосогласованного описания всей иерархии мезоскопических (в смысле промежуточных) термодинамических состояний и размеров в нагруженном твердом теле в различных полях внешних воздействий. Подобная механика зародилась в Сибирском отделении Российской академии наук и вызывает большой интерес за рубежом.
В настоящее время многоуровневые подходы физической мезомеханики признаны актуальными в самых разных областях науки — в физике, механике, химии, геологии, биологии и материаловедении, а также в многочисленных инженерных приложениях. В области наноматериалов и нанотехнологий альтернативы такому подходу нет. На современном этапе разработка многоуровневых моделей поведения гетерогенных сред и их инженерных приложений находится пока на начальной стадии своего развития. Экспериментально исследуются основные характеристики отдельных подсистем, их функциональные взаимосвязи, закономерности их самосогласованного изменения в различных полях внешних воздействий (механических, тепловых, электрических, радиационных и др.). Разрабатываются трехмерные модели подобных взаимодействий на основе молекулярной динамики, клеточных автоматов различного типа, синергетических подходов неравновесной термодинамики. В физической мезомеханике достигнут значительный прогресс в этой области, поэтому необходимость широкого обсуждения накопленных результатов, актуальных проблем и путей их решения, что называется, назрела. В то же время, по словам академика В. Е. Панина, который стоял у истоков физической мезомеханики, мы находимся на пороге нового, важного этапа в развитии физической мезомеханики, где предстоит построить теорию твердого тела во внешних полях как многоуровневой системы. Наряду с этим очень актуальна адаптация физической мезомеханики к различным инженерным приложениям, когда бы результаты исследований были доступны простым инженерам, заинтересованным в возможности подставить заданные характеристики в рабочую формулу и получить нужный результат. Наконец, на базе новых представлений предстоит разрабатывать материалы новых поколений и перспективные технологии, в первую очередь, наноматериалы и нанотехнологии.
Первые шесть международных конференций, посвященных физической мезомеханике, были проведены на базе ИФПМ СО РАН (в Томске и близ озера Байкал). На международной конференции «Mesofracture'96» в Томске было предложено проводить данные конференции в разных странах и организовать издание международного журнала «Физическая мезомеханика». Первый номер нового журнала на русском и английском языках был издан в 1998 году и представлен научной общественности на международной конференции
«Mesomechanics'98» в Тель-Авиве. В конце 2006 года ИФПМ СО РАН подписал соглашение об издании журнала в Нидерландах, в одном из старейших и авторитетнейших издательств мира «Elsevier» Кроме печатной версии журнала, «Elsevier» размещает в своей электронной библиотеке (www.ScienceDirect.com) и его электронный вариант. Это неслучайно, ведь за 10 лет издания журнала в физической мезомеханике теоретически и экспериментально был обоснован ряд концептуально новых положений, которые радикально изменяют традиционную методологию описания пластической деформации и разрушения твердых тел.
 |
|
На утренних заседаниях школы-семинара тематические лекции по проблемам многоуровневого моделирования и его приложениям в различных областях науки на русском и английском языках прочли известные, в том числе зарубежные, специалисты в области проблем многоуровневого моделирования. Лекцией «Актуальные проблемы многоуровневого описания мезомеханики поведения гетерогенных сред в полях внешних воздействий» школу-семинар открыл академик В. Е. Панин. С лекциями выступили такие ученые, как С. Г. Псахье («Протодефект как элемент многоуровневой пластичности кристаллических материалов»), академик В. М. Фомин, И. Ф. Головнев («Метод молекулярной динамики как способ исследования поведения материалов на микро-, нано- и мезоуровнях»), О. Б. Наймарк («Структурно-скейлинговые переходы как механизм самоорганизованной критичности в твердотельных системах с мезодефектами»), В. Л. Попов («Method of reduction of dimensionality for multiscale friction problems»), С. Йошида («Field theoretical approach to deformation dynamics: Restoring and energy conservative mechanisms in plasticity»), А. Н. Тюменцев, А. Д. Коротаев («Структурные аспекты мезомеханики»), П. В. Макаров («Математическая теория эволюции нагружаемых твердых тел и сред»), Л. Е. Панин («Закономерности поведения жидких гетерокристаллов в биологических объектах как многоуровневых системах»), H. Meliani, G. Pluvinage («Mesofracture approach of a two parameter engineering fracture mechanics for notch problem»), А. Ф. Ревуженко («Неархимедово пространство и время как основа математических моделей сред со структурой»).
 |
|
После пленарных заседаний участники школы работали на параллельных тематических заседаниях, где обсуждали конкретные задачи многоуровневого описания, поведения гетерогенных сред различной природы и намечали пути их решения. В соответствии с тематикой школы-семинара было выделено пять секций: «Методология и математический аппарат многоуровневого описания структурно-неоднородных сред в полях внешних воздействий»; «Дефектная подсистема и интерфейсы в деформируемом твердом теле»; «Поверхностные слои, тонкие пленки и покрытия как многоуровневые системы»; «Наноструктурные материалы»; «Биологическая мембрана».
 |
|
На первой секции был рассмотрен и обсужден широкий круг проблем как общей методологии и соответствующего математического аппарата моделирования поведения под приложенными нагрузками различных твердых тел и сред, так и важные прикладные задачи прочности материалов, сред и конструкций. Широко обсуждались новые многоуровневые модели неупругого деформирования и разрушения различных материалов и сред: наноматериалов, моно- и поликристаллов, горных пород и геосред, а также важные прикладные задачи механического поведения и разрушения этих материалов, выполненные на основе этих модельных представлений. Круг рассмотренных проблем был очень широк, в поле зрения участников оказались наноматериалы и композиты на металлической, керамической и полимерной основах. Ряд докладов был посвящен проблемам геомеханики, в том числе сейсмического мониторинга горных массивов. Касаясь методологии описания различных сложных динамических систем, докладчики отмечали общие характерные черты их эволюции в действующих полях и эффективность подхода физической мезомеханики к анализу столь различных систем.
В рамках программы данной секции Международной школы-семинара на базе ИФПМ СО РАН в летний период были проведены две научные сессии, посвященные моделям мезомеханики усталостного разрушения (приглашенный докладчик — профессор Майкл Внук, Университет штата Висконсин, Милуоки, США) и моделированию пластической деформации монокристаллов методом конечных элементов (приглашенный докладчик — профессор Georges Cailletaud, Centre des Materiaux, Mines Paris — Paristech, Франция).
Отмечая высокий научный уровень и актуальность как фундаментальных, так и прикладных проблем, обсужденных на секции, председатель д.ф.-м.н., профессор Павел Макаров указал на существенный прогресс в их решении. По его словам, это особенно заметно, так как многие из обсужденных проблем впервые были сформулированы и доложены в рамках конференций по физической мезомеханике, проведенных в предыдущие годы. Это касается и новых методов нестандартного анализа, развитых на настоящем этапе для решения многих прикладных проблем, например, деформирования горного массива, а также методов молекулярной динамики и других дискретных методов, широко применяемых к решению как физических, так и инженерных задач.
Интересные результаты были представлены и по исследованию проблем самоорганизации в нелинейных динамических системах. Рассмотрение наноматериалов, пластичных и хрупких твердых тел, геосред как динамических, эволюционирующих в полях действующих сил, систем позволило авторам докладов получить новые нетривиальные результаты, которые уже на настоящем этапе исследований нашли широкое практическое применение, например, в методах создания конструкционных материалов и в других областях.
На секции «Дефектная подсистема и интерфейсы в деформируемом твердом теле» было прочитано 36 устных докладов, посвященных различным аспектам поведения дефектов, межкристаллитных и межфазных границ на разных структурно-масштабных уровнях. По оценке председателя секции д.ф.-м.н., профессора Александра Тюменцева, докладчики продемонстрировали высокую эффективность многоуровневых подходов как при обосновании физико-механических свойств новых материалов и их поведения в различных условиях внешнего воздействия, так и при разработке новых способов и технологий получения этих материалов. Наиболее ярко это было отражено в докладах, посвященных разработке физических основ создания наноструктурированных материалов разного класса: металлических сплавов и интерметаллидов, композиций металлов со сверхтвердыми наночастицами фаз внедрения, сверхвысокомолекулярного полиэтилена, армированного углеродными нановолокнами и т.д. Секция подтвердила необходимость использования многоуровневых подходов при анализе поведения интерфейсов «покрытие-подложка», решения вопросов ползучести субмикрокристаллических металлических материалов; неустойчивостей пластического течения и локализации деформации.
Значительный интерес для развития многоуровневых подходов представляет цикл докладов по обоснованию механизма локальных обратимых структурных превращений мартенситного типа, как механизма, способного с единых позиций описать ряд важных явлений как микро-, так и мезоуровня деформации: генерация дислокаций и скольжение на микроуровне; механическое двойникование и коллективные эффекты в зонах локализации мезоуровня деформации.
Актуальные доклады были представлены на секции «Поверхностные слои, тонкие пленки и покрытия как многоуровневые системы». В настоящее время как в России, так и за рубежом успешно разрабатываются и внедряются в промышленное производство разнообразные ультразвуковые и пучковые технологии наноструктурирования поверхностных слоев материалов, отличающиеся простотой и относительно низкой стоимостью. В отличие от традиционных методов интенсивной пластической деформации, наноструктурирование поверхностных слоев можно проводить на деталях любой формы и размеров, повышая их износостойкость, коррозионную стойкость, динамическую прочность изделий, усталостную долговечность, уменьшая коэффициент трения и т.д. Участники конференции были едины во мнении, что только использование многоуровневых подходов позволяет объяснить особенности деформации и разрушения наноструктурных поверхностных слоев и покрытий. Использование подходов, разрабатываемых в физической мезомеханике, позволит создать научные основы передовых технологий получения наноструктурных покрытий, работающих в условиях экстремального нагружения.
В последние годы интенсивно разрабатываются и исследуются поликристаллические материалы с ультрамелкозернистой структурой, сформированной как в объеме, так и на поверхности различного рода материалов. Созданию и исследованию свойств металлических и керамических ультрамелкозернистых и наноразмерных структур были посвящены устные сообщения на секции «Наноструктурные материалы». Интерес к таким исследованиям связан в первую очередь с тем, что такие материалы обладают уникальными физико-механическими свойствами, существенно отличающимися от соответствующих в материалах с мелко- или крупнозернистой структурой. Например, в своем докладе А. Б. Скосырский убедительно показал, что в интерметаллических соединениях с неустойчивой кристаллической решеткой к внешним термосиловым воздействиям можно сформировать аморфно-нанокристаллическую и даже аморфную структуру при сравнительно невысоких степенях пластической деформации в мартенситном и предмартенситном состояниях. В работе профессора Александра Дмитриевича Коротаева были рассмотрены современные физические принципы и методы синтеза сверхтвердых покрытий, характерные особенности их дефектной субструктуры, фазового и упруго-напряженного состояний. На примере многоэлементных композиций показана высокая эффективность самоорганизации субструктуры нанокомпозитных покрытий в условиях их фазового расслоения с образованием нерастворимых в нанокристаллах зернограничных фаз, отсутствием зародышевых трещин, подавлением дислокационных механизмов деформации при размере зерна менее 10-15 нм.
Большой блок докладов в этой секции был посвящен формированию наноструктурных композиционных керамических материалов. Так, сотрудники коллектива под руководством Сергея Николаевича Кулькова продемонстрировали слушателям ряд перспективных методов получения керамических композитов, которые в настоящее время широко используются для получения плотной мелкозернистой конструкционной керамики.
В рамках секции «Наноструктурные материалы» авторы докладов также представили модели описания поведения наноструктурных материалов в рамках многоуровневого подхода и убедительно показали возможность и необходимость такого подхода для описания механического поведения и разрушения материалов с наноструктурой. Можно выделить яркие работы по исследованию процессов формирования и физико-химических свойств плёночных атомных нанокластеров никеля методами компьютерного моделирования, а также изучение атомных механизмов структурных перестроек, определяющих характер поведения незамкнутых наноструктур, сформированных из двухслойных металлических пленок, в процессе формирования и при тепловом воздействии.
Большой интерес у российских и иностранных участников вызвала секция «Биологическая мембрана», впервые организованная в рамках международных конференций по физической мезомеханике. В этом году на конференцию высадился большой десант медиков и биологов из Новосибирска во главе с академиком РАМН Львом Евгеньевичем Паниным. Тесное сотрудничество ученых ИФПМ СО РАН и Института биохимии СО РАМН развивается уже на протяжении нескольких лет в рамках различных комплексных интеграционных проектов СО РАН и проектов РФФИ. Подходы физической мезомеханики, развитые для описания процессов массопереноса через твердотельные наномембраны, находят широкое применение в описании механизмов межклеточного обмена через биологические мембраны, которые являются жидкими кристаллами. Общеизвестно, что большинство спортсменов международного класса, как правило, принимает в качестве допинга различные стероидные гормоны (анаболики). В условиях стресса содержание стероидных гормонов в крови может увеличиваться в разы, приводя к существенным изменениям свойств клеточных мембран. Важность решения этой задачи продиктована еще и тем, что в международном спорте стали частыми случаи внезапной смерти спортсменов от остановки сердца прямо во время соревнований. Объединение усилий физиков, медиков и биологов позволяет выявить общие закономерности поведения твердых и жидких нанокристаллов при различных внешних воздействиях и разработать новые средства защиты биологических мембран в условиях воздействия на организм стрессирующих факторов. В наше время это становится чрезвычайно актуальным в программе освоения нефтегазовых шельфов Северного Ледовитого океана. Осваивать эту зону придется в исключительных стрессовых условиях. Объединенные усилия СО РАН и СО РАМН способны разработать важные рекомендации по снижению риска патологических изменений в организмах тружеников заполярного нефтегазового комплекса.
Большое внимание в работе школы-семинара было уделено обсуждению инновационных приложений физической мезомеханики в современном материаловедении. Этому был посвящен круглый стол «Многоуровневые проблемы наноструктурных материалов (от фундаментальных исследований к промышленным приложениям)». Кроме того, здесь были затронуты и важные для сегодняшнего дня задачи коммерциализации результатов фундаментальных исследований. Во встрече приняли участие представители Российского фонда фундаментальных исследований. Начальник отдела ориентированных фундаментальных исследований Елена Рудцкая подробно рассказала о конкурсе проектов по ориентированным фундаментальным исследованиям, нацеленным на решение крупных прикладных задач в реальном секторе экономики РФ, коммерциализации результатов фундаментальных исследований на российском и международном рынках. Новое руководство СО РАН ставит задачу встраивания институтов СО РАН в масштабные федеральные и отраслевые программы. На круглом столе, который вели директор ИФПМ СО РАН профессор С. Г. Псахье и научный руководитель института академик В. Е. Панин, были представлены примеры крупного промышленного освоения научных разработок ИФПМ СО РАН в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 гг.». Наибольший интерес на круглом столе вызвали доклады Марата Лернера «Разработка и организация опытно-промышленного производства сорбционных материалов на основе наноразмерных волокон», Виктора Сергеева «Наноструктурирование поверхностных слоев материалов и покрытий — перспективы применения в авиационной и ракетной технике», Юрия Шаркеева «Ультрамелкозернистый титан и перспективы его применения в дентальной имплантологии». Создание в томском Академгородке одной из площадок технико-внедренческой зоны позволяет обеспечить широкий фронт инновационной деятельности Томского научно-образовательного комплекса.
Успех проведенной в Томске международной школы-семинара был обусловлен не только привлечением к работе именитых российских и зарубежных ученых, но и активным участием в ней молодежи. В этом отношении проведенное мероприятие с полным основанием можно назвать «школой». Молодые ученые — кандидаты и доктора наук, аспиранты, работающие в институтах Академгородка, аспиранты и студенты российских вузов, а также студенты Берлинского технического университета, с большим интересом отнеслись к проблемам, поднятым на пленарных лекциях и секционных заседаниях. Они принимали самое активное участие в обсуждении проблем развития многоуровневого подхода для описания деформации и разрушения металлических, керамических и полимерных материалов и представили результаты собственных исследований. Во время работы секционных заседаний молодыми учеными было прочитано более 40 устных докладов. Сотрудники Российского фонда фундаментальных исследований во время работы круглого стола провели «мастер-класс» по подготовке и оформлению заявок для участия в конкурсах фонда, что, несомненно, ценно для молодых ученых, которые только начинают свой путь в науке.
Всего в школе приняли участие более 200 человек, учеными из 7 стран было прочитано 137 устных докладов, представлено 36 стендовых. Все доклады были высокого научного уровня и вызвали большой интерес и широкую дискуссию.
стр. 6-7
|
