«Наука в Сибири» № 34-35 (2420-2421) 12 сентября 2003 г. ФИЗИЧЕСКАЯ МЕЗОМЕХАНИКА — КЛЮЧ КО МНОГИМ ПРОБЛЕМАМ БУДУЩЕГО Стремительное развитие промышленности требует разработки новых материалов, стойких к повышенным нагрузкам, интенсивному трению, воздействию высоких температур… Эти проблемы были в фокусе международного семинара по физической мезомеханике и компьютерному конструированию перспективных материалов и технологий, прошедшего в августе в Томском научном центре. Актуальное научное направление — физическая мезомеханика материалов — основано Институтом физики прочности и материаловедения СО РАН. Сильная научная школа, заложенная академиком В. Паниным, продолжает развиваться. Это показал и живой интерес специалистов, собравшихся на семинар. Исследователи обсудили достижения, проблемы и перспективы дальнейшего развития методов и средств физической мезомеханики и ее приложений в физике твердого тела, материаловедении, геодинамике и электронике. Интервью с академиком Виктором ПАНИНЫМ о том, «откуда есть пошла физическая мезомеханика», предлагаем вниманию читателей. — Проблемы прочности твердых тел занимали человечество еще с античных времен и они были связаны с задачами обороны. Вспомните дамасскую сталь — это, прежде всего, заслуга механиков, сумевших разработать рекомендации по созданию высокопрочных материалов в те далекие времена. Естественно, долгое время ученые не располагали необходимым оборудованием для того, чтобы заглянуть внутрь металла, и поэтому механики представляли твердое тело как сплошную среду. Макромасштабный уровень вообще не учитывает, что происходит внутри материала. Механика сплошной среды до сих пор рассчитывает прочность материала, его пластичность, характер разрушения на основе феноменологических подходов. Конечно, ученых интересовало, что происходит внутри материала, как сознательно управлять его структурой и задавать высокие механические характеристики. В середине XX века физики получили в свое распоряжение электронный микроскоп, и с его помощью были обнаружены дефекты кристаллической решетки и их перемещения под действием внешних приложенных напряжений. Микроскопические исследования поведения дефектов кристаллической решетки в нагруженном твердом теле интенсивно развивались во второй половине двадцатого столетия. В 80-х годах прошлого столетия физики обратили внимание, что помимо дефектов в кристаллической решетке на более высоком масштабном уровне идут свои процессы. Оказалось, что между макро- и микромасштабными уровнями существует целая иерархия мезоскопических, т.е. промежуточных, масштабных уровней, на которых развиваются свои закономерности пластического течения. Когда эти явления были обнаружены, мы поняли, что эту нишу надо разрабатывать как самостоятельное научное направление. — Виктор Евгеньевич, а кто стоял у истоков физической мезомеханики? — Работы начались в коллективе металлофизиков в Сибирском физико-техническом институте (при ТГУ). Академик В. Зуев, председатель Томского научного центра и директор Института оптики атмосферы, оценил значение этого направления. Он предложил отделу присоединиться к ИОА СО РАН. Отдел быстро развивался и уже в 1984 г. сформировался как самостоятельный институт. Важную роль в развитии методов исследования на мезоскопическом масштабном уровне сыграли специалисты Томского университета систем управления и радиоэлектроники. В ИФПМ была создана лаборатория средств технического зрения по обработке оптической информации с поверхности материалов. Разработанные методики широко используются металлофизиками, которые количественно аттестуют закономерности, развивающиеся на мезомасштабном уровне. — Что же было обнаружено учеными на мезомасштабном уровне? — Использование оптико-телевизионного измерительного комплекса высокого разрешения, атомно-силовой и туннельной сканирующей микроскопии позволило обосновать, что поверхностные слои и внутренние границы раздела являются важнейшими функциональными мезоструктурными уровнями деформации. Расчеты в рамках мезомеханики структурно неоднородных сред показали, что в мезомеханике деформации и разрушения особое место занимают тонкие поверхностные слои. Оказывается, именно там развиваются первые сдвиги, зародившиеся в месте приложения к материалу внешней нагрузки. Далее они распространяются вглубь материала, и постепенно вовлекают весь объем деформированного твердого тела в пластическое течение. Пластическая деформация распространяется в твердом теле как многоуровневый волновой процесс. Здесь я приведу сравнение с волновым процессом движения крови в организме. Сердце вбрасывает порцию крови в аорту… А как чувствует кончик пальца это давление? Напрямую никак. Кровь движется по сосудам, испытывая вращательное движение. По мере такого движения в стенках кровеносных сосудов возникают промежуточные усилия, которые проталкивают ее вплоть до мельчайших капилляров. Оказывается, что мезомеханика волнового процесса распространения крови феноменологически такая же, как и распространение пластического течения в твердом теле. Конечно, волновая мезомеханика делает только первые шаги. Потребуются многие десятилетия, чтобы собрать и осмыслить сложные законы движения в живой и неживой природе. Однако анализ волновых процессов в физике, механике, химии, геодинамике показал, что существует широкий класс явлений, где массоперенос определяется одними и теми же уравнениями. Эти уравнения аналогичны уравнениям Максвелла в электродинамике. Подобие формул позволяет описывать динамику пластической деформации на основе базовых законов электродинамики. — Какие наметились пути развития физической мезомеханики? — Активно развиваются два подхода. Первый — на базе механики сплошной среды, но с учетом внутренней структуры материала. Элементы мезомеханики дают возможность модернизировать существующие методы. Так, профессор С. Псахье предлагает в известный метод «клеточных автоматов» ввести положение, что отдельные клеточные автоматы могут не только взаимодействовать, но и перемещаться относительно друг друга. Профессор А. Ревуженко отражает внутреннюю структуру материала в разрывах функций, которые используются при написании уравнений. В школе чл-к. РАН В. Фомина широко используется молекулярная динамика. Это позволяет решать целый ряд важных практических задач. Наряду с этим подходом, развивается волновая теория физической мезомеханики. Кстати, на нынешнем семинаре все первое пленарное заседание было посвящено этой теории. В докладе С. Йошида (США) была рассмотрена пластическая деформация с точки зрения базовых представлений электродинамики. Эта аналогия позволяет совершенно по-иному увидеть процессы, которые развиваются в нагруженном твердом теле. — Можно ли очертить области приложения мезомеханики? — Прежде всего, это современное материаловедение. К примеру, компьютер. Его микропроцессоры постепенно стареют, хотя бы потому, что через них идет электрический ток очень большой плотности. Мы исследуем тонкие пленки и многослойные структуры, их деградацию при различных внешних воздействиях. Результатом работы должно быть обеспечение высокой надежности, долговечности этих систем. На основе физической мезомеханики разрабатываются материалы с субмикрокристаллической и наноструктурой, сложные структурно-неоднородные композиты на металлической, керамической и полимерной основах. В дни международной конференции были проведены два «круглых стола». На одном из них рассматривалась тема «Новые материалы для медицины». Создаются специфические материалы, совместимые с живой тканью: специальные покрытия для медицинских инструментов, протезов, которые должны обеспечить надежное использование и предотвратить осложнения, в т.ч. канцерогенные. В ИФПМ ряд специалистов работает в этом направлении. Совместно с Томским ортопедическим центром в ИФПМ действует научно-практическая лаборатория, которая уже внедряет свои разработки. Вторая проблема обсуждалась в областной администрации, — трубопроводный транспорт и его безопасность. Фактически, все трубопроводы свой ресурс выработали и дальнейшая их эксплуатация будет сопровождаться неизбежными авариями. Стоит задача упрочнения сварных соединений трубопроводов. В нашем институте ведутся эти исследования и в условиях высоких давлений, и в условиях циклического нагружения. «Круглый стол» наметил ряд мероприятий по проведению диагностики трубопроводов, разработке рекомендаций по увеличению надежности, оценке остаточного ресурса работы. Очевидно, что многие закономерности мезомеханики могут найти эффективное приложение в самых разных областях. Круг интеграции непрерывно расширяется. В Сибирском отделении ведется крупный проект «Мезомеханика поверхности и внутренних границ раздела», в котором заняты специалисты-механики, физики, химики, материаловеды из шести институтов. Оказалось, что многие явления могут быть проанализированы с общих позиций. Естественно, нужно накапливать необходимую базу данных, разрабатывать приборное обеспечение иследований. — Похоже, что работа по развитию этого направления обеспечена на многие десятилетия… — Уже сейчас просматриваются возможные совместные работы с биологами по комплексному описанию сложнейших процессов движения в живом организме. Установились контакты с биохимиками СО Медакадемии. Обсуждения позволяют предположить, что считывание информации с генов при делении клетки тоже описывается уравнениями физической мезомеханики. Пока делаем только первые шаги в этом направлении. В настоящее время ученые разных специальностей проявляют большой интерес к физической мезомеханике. Один из показателей того — очередь предложений многих стран мира, желающих провести у себя конференции по физической мезомеханике. Хочу подчеркнуть, что физическая мезомеханика зародилась в СО РАН, но мы заинтересованы в широкой географии приложений и развитии этого научного направления. Беседовала В. Макарова, «НВС». стр. 4