CC BY
22НВЕЛИ'ИИЙНИЁЛМВВИЙ» ПУТЬ ФИЗТЕХА
Валерий Валерьевич Лепов,
доктор технических наук, заместитель директора Института физико-технических проблем Севера СО РАН (ИФТПС СО РАН), действительный член Академии наук РС(Я), профессор кафедры философии ЯНЦ СО РАН
Николай Александрович Петров,
доктор технических наук, профессор, заведующий отделом общей энергетики ИФТПС СО РАН
мв1 г
Евразия, хоть и представляет собой единый континент, содержит разные типы этносов и культур, религий и философий, которые сформировались в ходе исторического развития. Долгая изоляция неблагоприятно сказывалась на развитии стран и регионов, поэтому пути, прокладываемые путешественниками и торговцами, определяли перспективы роста экономики через взаимовыгодный обмен и обогащали национальную культуру. Как утверждают историки [1], Великий шёлковый путь связывал Запад и Восток со II по XVI век нашей эры. Сначала столетиями складывались его направления внутри отдельных регионов, через границы государств, а затем он объединил все страны и континенты, став мировым рынком и круговоротом торговли. Благодаря этому, в IX - XI веках наблюдалось активное движение и по другим торговым путям [2], что культурно, технологически и экономически соединило и обогатило славян, скандинавов и другие народы Северной и Восточной Европы и заложило основы Киевской Руси.
В наше время путешествия по большей части утратили ореол авантюризма, их опасность многократно снизилась, но романтику дорог и тайны познания далёких стран никто не отменял, особенно - для науки, по историческим меркам совсем недавно получившей возможность независимого обобщения знаний и формирования достаточно объективной научной картины мира.
Наверное, всё началось с активности академика В. П. Ларионова,
В. В. Лепов, Н. А. Петров
его стремления обогатить якутских учёных знаниями и достижениями не только российских, но и международных научных школ. Ведь наука, как область человеческой деятельности и социальный институт, не признает «местечковости» ни в пространстве, ни во времени, поэтому любое научное исследование должно подразумевать ретроспективу, обращение к истории накопленных ранее знаний, а также учёт современного состояния той или иной научной области и перспективы её развития в масштабе человеческой цивилизации. Научная работа невозможна без общения с учёными из других стран, международной кооперации и сотрудничества. Первым шагом на этом пути является участие учёных в международных форумах и конференциях. Традиционно наиболее тесные связи сотрудников Института физико-технических проблем Севера (ИФТПС) им. В. П. Ларионова СО РАН сложились с коллегами из Германии, Японии и Китая. Наибольшее же число совместных работ советского периода было выполнено с учёными Украины. После распада Советского Союза эти связи утратили целостность, а в период перестроечных 90-х годов прошлого столетия многие из наших и украинских учёных уехали за рубеж. Однако директор института Владимир Петрович Ларионов постоянно поддерживал связь с Институтом электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины, где в своё время защитил кандидатскую и докторскую диссертации, с учебно-исследовательским
На фото вверху - панорама на мост и реку Хуанг-Пу из окон гостиницы в Шанхае (2011 г.)
Ночной Шанхай. Делегация из Якутска (2011 г.).
Слева направо: д.т.н. В. В. Лепов, асп. Н. Д. Петрова, к.т.н. М. З. Борисова, к.ф.-м.н. А. С. Сыромятникова
центром сварочных технологий в Германии, а также с китайскими учёными из Харбинского технологического института сварки. Отдельно следует отметить сотрудничество в области строительства и эксплуатации трубопроводов натурального газа (Форум NAGF) с промышленниками и учёными из Японии и Китая. Но в 2004 г, после смерти академика В. П. Ларионова, ИФТПС СО РАН оказался практически отрезанным от внешнего мира, так как эти связи держались в основном на его личном обаянии и энтузиазме. Возобновление международных работ в области северного материаловедения, моделирования процессов потери прочности и выработки ресурса в конструкциях и машинах, эксплуатируемых при низких климатических температурах, а также обеспечения безопасности и повышения эффективности эксплуатации потенциально опасных объектов транспорта и энергетики в условиях Севера также возможно только при активном участии в системе кооперации и на рынке научно-исследовательских услуг, сложившихся в научном сообществе. И для этого нужно было пройти, как по Великому шёлковому пути, заново заводя знакомства и заявляя о себе от Азии до Европы. Такую возможность предоставляет участие в международных конференциях по профилю работ. На самом деле, активный научный мир не настолько обширен, как может показаться по многочисленным журналам, статьям и монографиям. Кроме стран, он представлен по каждому направлению всего лишь несколькими
научными школами, причём зачастую эти школы представляют собой партнёрское сообщество, круг хорошо знакомых и ссылающихся друг на друга учёных. Чем шире и междисциплинарнее исследования, тем шире становится и этот круг.
Механическое поведение и прочность материалов представляют собой довольно узкую область, исторически ограниченную одними экспериментальными исследованиями и классической теорией деформирования и разрушения металлов и горных пород. Бурное развитие химической промышленности и технологий привело к появлению полимерных, композиционных и более широкого класса искусственно структурированных материалов и работ, посвящённых исследованию их прочности. Развитие компьютерного моделирования дало новый толчок в этом направлении, и теперь механика деформирования и разрушения материалов не ограничивается только экспериментальными испытаниями и теоретическим моделированием процессов, а включает в себя полный технологический цикл создания, диагностики, использования и вывода их из эксплуатации. Поэтому современные конференции по разрушению и механическому поведению материалов представляют собой площадку
Сотрудники ИФТПС СО РАН (г. Якутск) с коллегами из Москвы, Томска и США в Шанхае (КНР, 2011 г.).
Слева направо: к.ф.-м.н. А. С. Сыромятникова и д.т.н. В. В. Лепов (ИФТПС СО РАН), д.т.н. Ю. Н. Сараев (ИФПМ СО РАН, г. Томск), проф. Девид Хьюи (Университет Нью-Орлеана, США), проф. В. И. Викторова (Университет Клемсона, США), д.т.н. С. И. Алексеева (ИМАШ РАН, г. Москва)
Вид на Гонконг с Пика Виктория (2011 г.).
Слева - зав. отделом общей энергетики Института физико-технических проблем Севера СО РАН, д.т.н., проф. Н. А. Петров; справа - заместитель директора по научной работе ИФТПС СО РАН, д.т.н. В. В. Лепов
мост и комплекс небоскрёбов набережной реки Хуанг-Пу, в любое время можно было выйти из отеля, чтобы понаблюдать жизнь простых горожан, вдохнуть кислый запах перенаселённого гетто, перекинуться парой слов с простым китайцем, ночующим в картонном ящике. При определённом везении можно было поучаствовать в трапезе, когда местные жители прямо во дворе, на костре жарят свежепойманных в реке лягушек. Но это уже, как говорится, на любителя. На самом деле, времени у участников конференции было крайне мало, поскольку заседания проходили с 8 часов утра до 9 - 10 часов вечера параллельно по пяти секциям. Несмотря на то, что основной тематикой конференции в Шанхае являлись композиционные материалы с наноструктурой, большое число докладов было посвящено свойствам сталей и сплавов, общим инженерным методологическим подходам, а также моделированию поведения искусственно структурированных материалов. Нам удалось установить научные связи с учёными из
для обсуждения самых широких вопросов, включая технологии создания, обработки и изучения свойств металлических, полимерных, композиционных материалов, в том числе и наноструктурированные.
Одно из таких научных мероприятий - ежегодная конференция по композиционным материалам, техническим наукам и нанотехнологиям 1ССЕ [3]. В 2011 г. эта конференция, девятнадцатая по счёту, проводилась в Шанхае, в 2012 - в Пекине, в 2013 - на Тенерифе и в 2014 г. - на Мальте. В 2015 г. конференция пройдёт в г. Чэнду провинции Сычуань (КНР). Организатором её является Дэвид Хьюи, американский профессор китайского происхождения, являющийся специалистом в области поведения материалов при низких температурах и имеющий около двухсот опубликованных статей самой различной тематики. Несмотря на невысокий уровень организации, конференция неизменно собирает большое число участников. В Шанхае, например, участвовало более 700 специалистов из 55 стран. Условиями участия на конференции является обязательное предоставление двухстраничной иллюстрированной статьи и устное выступление на английском языке. Широкая комплексная тематика конференции позволяет обсудить научные проблемы в самых различных научных областях механикам, материаловедам, физикам и химикам. Так что отрицать практическую полезность конференции не приходится.
В 2011 г. в Шанхае делегация нашего института состояла из четырёх человек, включая двух молодых специалистов. Конференция проводилась в новом пятизвёздочном отеле, окружённом кварталами трущоб. И хотя из гостиницы открывался вид на современный
Фойе гостиницы в Пекине, где проходила конференция ICCE-20 (КНР, 2012 г.)
Проф. Н. А. Петров (ИФТПС СО РАН) с заместителем директора Института энергетики и термодинамики Венского технологического университета проф. Андреасом Вернером (TU Wien)
Харбинского политехнического университета, из исследовательских институтов Тайваня и Гонконга, Южной Кореи, и, как ни странно, из Новосибирска и Санкт-Петербурга. С ними в дальнейшем был подготовлен совместный проект для Программы комплексных исследований СО РАН.
В 2012 г на юбилейную двадцатую конференцию мы поехали с ветераном нашего института и участником Великой Отечественной войны д.т.н., профессором Н. А. Петровым. Доклады наши были приняты и включены в качестве устных выступлений на одной из секций. Один из них был посвящён перспективному направлению по обеспечению энергетической безопасности на Севере с помощью использования композиционных материалов в так называемых «умных сетях» (англ. «smart grid»). По дороге в Китай вышла довольно забавная история: мы не успели оформить визы и летели в Пекин через Гонконг, поэтому смогли оценить гостеприимство бывшей островной колониальной республики и найти её отличия от социалистического Китая. Нужно сказать, что мнение было неоднозначным. С одной стороны, дисциплина и организованность в Пекине оказалась выше, чем в Гонконге, но, по впечатлениям, остров намного превосходил столицу Китая. Пекин - это туманное и серое небо днём и сумрак ночью, а Гонконг - это
синее небо и море, небоскрёбы, пик Виктория и аллея актёров. На пик Виктория забираются на стареньком трамвае, отдавая дань уважения первой железной дороге в Гонконге, построенной в 1889 г., откуда открывается замечательный вид.
В 2013 г. наше путешествие продолжилось уже по Европе. Мы посетили Венский технологический институт в Австрии, где по решению общественности была закрыта последняя атомная станция и государством сделана ставка на солнечную и ветряную энергетику, оценили систему энергоснабжения Венеции (оказалось, что на отдельном острове Маргера, присоединенному к Венеции, строится небоскрёб с комбинированной геотермальной и солнечной станцией, а электропередача с 30-х годов прошлого столетия осуществляется по кабелям, проложенным по дну залива), а также побывали
■ во Франции. Эта страна пытается осваивать
альтернативную энергетику, но в основном базируется на атомной, переживающей «ядерный ренессанс» (тем не менее к 2011 г. доля мирного атома была снижена до 70% в общем энергобалансе страны, а остальное обеспечивают 500 гидроэлектростанций суммарной мощностью 20 ГВт, а также дизельные и газовые ГРЭС). В немецком Мюнхене мы посетили большой музей истории техники, ознакомились с планом строительства станций на возобновляемых источниках энергии. Оказалось, что 84% энергии Мюнхена и окрестностей обеспечивается ветром, около 12% - гидроэнергетикой, 3% - солнечными термальными станциями, 1% - геотермальными, и только 0,5% - фотоэлектрическими солнечными преобразователями.
рящ ¡щря
На территории Мюнхенского музея техники
В. В. Лепов (ИФТПС СО РАН) с организаторами конференции ICCE-21 и коллегами из Москвы и США на Тенерифе (2013 г.)
Главной целью нашего визита в Европу в 2013 г. было участие в 4-й Международной конференции по целостности, надёжности и разрушению конструкций, проходящей в Португалии, на острове Фуншал (Мадейра). Там нам удалось окунуться в Атлантический океан, а также выступить с докладом на секции композиционных материалов. Из пленарных следует отметить доклады, посвящённые решению динамических задач, - организатора конференции профессора из университета Торонто в Канаде Шейкера Мегъюда (Shaker Meguid) «Динамический контакт в сплошных средах с использованием вариационных неравенств» и профессора Ксион Джанга (Xiong Zhang) из Тсингхуаньского университата Китая «Метод материальной точки и его применение к задачам моделирования удара и взрыва». Метод материальной точки можно отнести к разновидности бессеточных методов динамики жидкости, применяемых для твёрдых тел в случае больших деформаций. Но тематика этих конференций - тема отдельной статьи. Участие в исследованиях этого направления одного из авторов настоящей статьи продолжаются уже более 10 лет [4]. Если говорить об энергетике острова Мадейры, то всё топливо в XX в. сюда завозилось, а сейчас около 24% вырабатываемой энергии приходится на геотермальные источники, примерно столько же вырабатывают малые ГЭС в горах (на проложенных искусственных каналах - левадах). Более 20% обеспечивается ветровыми электростанциями на плато Пул де Серва (высота 1300 - 1500 м), активно развивается солнечная энергетика.
Также в 2013 г. на острове Тенерифе состоялась очередная конференция по композиционным материалам и
нанотехнологиям. Конференция отличалась большим количеством представителей из России. Следует сказать, что в этом была и наша заслуга, - информация об успешном посещении предыдущих конференций, неплохом общем уровне докладов и публикации полноразмерной статьи в журнале быстро распространилась среди академического сообщества Росии, в частности, среди экспертов и исполнителей проектов фундаментальных исследований РАН. Приехали академики Н. Ф. Морозов из Санкт-Петербурга и В. Е. Панин с сыном Сергеем из Томска, научные сотрудники из Москвы, Новосибирска, Белгорода и Самары. Были представители из Украины, Белоруссии и Казахстана. Приехали эмигрировавшие в Америку учёные из России, с которыми мы были знакомы ранее. Удалось возобновить эти научные связи. Присутствовали на конференции и представители научного мира Ближнего Востока: из Египта, Турции, Ирана, Саудовской Аравии. С ними удалось поговорить на стендовой сессии. Оказалось, что научные исследования в этих странах проводятся на достаточно высоком уровне.
Институт физико-технических проблем Севера им. В. П. Ларионова снова был представлен двумя сотрудниками. К сожалению, секционные залы были полупусты, т.к. стояла жара, и учёные отдыхали на море и в гостиничном бассейне, однако некоторые доклады вызывали аншлаг, например, лекция американского профессора из Беркли (Калифорния) профессора Леона Чуа (Leon O. Chua), претендовавшего на Нобелевскую премию по физике. Чуа вывел существование
Проф. Н. А. Петров в летнем саду Мадейры перед началом конференции ICCE-22 (2014 г.)
•—VW-*
Resistor dv = Rdi
ô
Inductor ä<p = Ldi
Capacitor d q = Cdv
d q = idt
Ю
-ЧЛЛг»
Memristor dy? = /Wdg
<Ç>
Memristive systems
Мемристор как четвёртый электронный компонент
четвёртого фундаментального пассивного электронного компонента как следствие из теоретических выкладок и придумал ему название «мемристор» еще в 1971 г. Стен Вильямс из Hewlett-Packard в 2008 г. заявил о физической реализации элемента электронной цепи с характеристиками мемристора на основе тонких плёнок диоксида титана [5]. Сейчас рядом компаний предложена более прогрессивная элементная база.
Лекция Леона Чуа была интересной, несмотря на грубо нарисованные фломастером иллюстрации, проецируемые через диаскоп, и специфический акцент. Докладчик высказал надежду на то, что развитие этого направления сделает возможным создание искусственного интеллекта [6]. Профессор рассказал о том, как он пришёл к идее мемристоров через наблюдение за поведением одноклеточных организмов, амёб, замирающих при понижении и возобновляющих движение после повышения температуры среды, а в дальнейшем «запоминающих» даваемые временные промежутки и двигающихся «по режиму» уже без внешнего воздействия. Возможно, именно периодические климатические воздействия позволили развиться памяти и сознанию (на уровне клетки!) в адаптировавшихся организмах, хотя мозг оказался намного более сложным, чем электронная схема на основе мемристо-ров. Леон Чуа надеется, что с их помощью можно будет построить искусственный самообучающийся на аппаратном уровне интеллект [7]. По крайней мере, компания
Hewlett-Packard в 2014 г. опубликовала проект суперкомпьютера «The Machine» с волоконно-оптическими линиями связи и памятью на базе мемристоров [8]. Запуск проекта несколько раз откладывался, хотя первые компоненты должны быть продемонстрированы уже в 2015 году, а коммерциализация технологии ожидается до конца 2020 г. Возможно, дело в том, что компания Hynix, обладающая правами на промышленное производство мемристоров, не хочет подрывать очень выгодный рынок флэш-памяти (SSD), которая, по сравнению с мемристорами, дорога и относительно ненадёжна.
Вообще, мемристор оказался универсальным элементом, служа как для хранения данных, так и для выполнения вычислений. На одном кристалле можно разместить массив из мемристоров, динамически распределяемых управляющей схемой в реальном времени. При этом те мемристоры, которые не задействованы для хранения данных, могут быть использованы для вычислений. На одном кристалле может быть получен целый компьютер, требующий лишь подключения периферии. Будучи пассивным элементом, он не требует питания, а для его управления достаточно на порядки меньшей электроэнергии, чем для транзистора. Неожиданным свойством мемристора стало усиление эффекта с уменьшением размеров элемента, что способствует масштабированию техпроцесса, а благодаря существенно более низкому тепловыделению появляется возможность укладывать мемристорные плёнки послойно и почти неограниченно, на одном кристалле. В каждом «пересечении» микродорожек на схеме будет находиться отдельный мемристор, имеющий очень простую структуру. К этому следует добавить, что «четвёртый элемент» имеет колоссальный рабочий ресурс и может хранить запомненное состояние практически неограниченное время после отключения питания.
гт
_
вя в _ ШЯШЁНЁШ
■ !
10 um
■■■ I
Устройство мемристора, реализованного в Hewlett-Packard на оксиде титана в 2014 г.
сащщлашткы
Klaus Mainzer • Leon Chua
LOCAL ACTIVITY
PRINCIPLE
SPRINGER BRIEFS IN COMPLEXITY
Klaus Mainzer ■ Leon 0. Chua
The Universe as Automaton
From Simplicity and Symmetry to Complexity
^ Springer
Обложка книги Леона Чуа с соавтором Клаусом Майзнером
Время переключения состояния составляет пикосекун-ды, что на порядки быстрее, чем в оперативной памяти. Двухмерный массив из мемристоров в производстве намного проще, чем транзисторная схема, что удешевляет техпроцесс.
Возвращаясь к конференции ICCE-22, которая проходила в 2014 г. уже в г Сант-Джулианс на Мальте, отметим, что на ней также докладывали два сотрудника из ИФТПС СО РАН (д.т.н., проф. Н. А. Петров и д.т.н. В. В. Лепов). Оба докладчика имели статус приглашенных, поэтому вызвали повышенный интерес. Наши доклады были посвящены общему подходу к многомасштабному моделированию эволюции повреждений в материалах со случайной микроструктурой и конкретному примеру визуализации роста трещин в металле, реализованному для Web.
По традиции, эта конференция проводилась в пятизвёздочном отеле, разделившись после пленарной сессии на четыре секционных заседания. На этот раз участников из России было мало, зато присутствовали представители почти всех европейских стран. Из пленарных докладов можно отметить сообщение Джинсонг Ленга из Харбинского института информационных технологий о современном состоянии и перспективах применения умных и многофункциональных нанокомпози-тов и лекцию того же Леона Чуа о дополнении третьего закона термодинамики «принципом локальной активности». Оказалось, что подход Чуа с соавтором очень близок к разрабатываемому нами в многомасштабном эволюционном моделировании, когда и пространственные,
и временные масштабы происходящих процессов сильно различаются. Неравновесная термодинамика таких процессов была разработана ещё лауреатом Нобелевской премии Ильёй Пригожи-ным. В плане развития данной теории запланировано дальнейшее наше сотрудничество с Леоном Чуа.
В июле 2015 г в Ченду на конференции по композиционным материалам и нанотехнологиям, на которой также планируется участие сотрудников ИФТПС СО РАН, с пленарной лекцией по углеродным материалам выступит известный учёный из Японии, Нобелевский лауреат по химии 2010 года Акира Суд-зуки. Он охарактеризует современное состояние одного из самых перспективных направлений материаловедения, включающего широкий спектр композиционных материалов на основе углерода, фуллеренов, нанотрубок и даже графена.
Список литературы
1. Мамлева, Л. А. Становление Великого шёлкового пути в системе трансцивилизационного взаимодействия народов Евразии / Л. А. Мамлева // Vita Antiqua. - 1999. - № 2. - С. 53-61.
2. Рыбаков, Б. А. Рождение Руси / Б. А. Рыбаков. -М. : АиФ Принт, 2003. - 447 с.
3. Официальный сайт Международной конференции по композитам и нанотехнологиям (International Conference on Composite and Nano-Engineering, ICCE) [Электронный ресурс]. - Режим доступа : http://icce-nano.org. - Загл. с экрана. - Яз. рус.
4. Лепов, В. В. Португалия научная и туристическая / В. В. Лепов // Наука и техника в Якутии. - 2009. -№ 2 (17). - С. 34-37.
5. Strukov, D. B. The missing memristor found / D. B. Strukov, G. S. Snider, D. R. Stewart [et al.] // Nature. -2008. - 453. - Р. 80.
6. Chua, Leon O. Memristor - The Missing Circuit Element / Chua, Leon O. // IEEE Transactions on Circuit Theory. - 1971. - 18.5. - Р. 507-519.
7. Johnson, R. C. Мемристоры имитируют человеческий мозг // РадиоЛоцман. - 2013. - № 1 (http://www.rlocman.ru), Memristors mimic human brain. // EE Times (http://www.eetimes.com/).
8. The Computer That Stores and Processes Information аt the Same Time. // MIT Technology review (November 21, 2012).
