Цвет:
Размер шрифта:
а
а
а
Интервал:
Изображения:
Вкл
Выкл
Rus
Eng
Все разделы

Студенты УрГПУ накануне Дня российской науки познакомились с фундаментальными исследованиями в физике

7 февраля 169
Поделиться
Рассказать

День российской науки в институте математики, физики, информатики и технологий состоялся 6 февраля, накануне официальной даты праздника. В этот день студенты института, будущие учителя, познакомились с новейшими научными разработками в области физики. Знакомство с физикой сегодняшнего дня началось непосредственно в УрГПУ, в НОЦ «Расплав». Затем студенты 3 курса отправились на экскурсию в учреждения Российской академии наук — Институт электрофизики и Институт теплофизики.

Металлическое стекло 

В научно-образовательном центре «Расплав» в этот день доктор физико-математических наук, профессор Валерий Сидоров и аспирант Борис Русанов провели несколько экскурсий для студентов, показали свои лаборатории, оборудование и образцы продукции, рассказали, чем занимается НОЦ «Расплав» и в чем актуальность и важность этой работы. 

«Расплав» — это 4 лаборатории, занятые экспериментальными установками для изучения физических свойств металлов и сплавов. 

— Зачем нужны сплавы? Для того, чтобы получить новые свойства: высокую прочность, пластичность, электрические, магнитные свойства и т.д., когда один металл не в состоянии их дать, — рассказал студентам Валерий Евгеньевич. — Методом проб и ошибок были выработаны законы, по которым один металл соединяют с другим. Однако на сегодняшний день ресурсы двойных сплавов уже полностью выбраны, а технологи и конструкторы требуют новых материалов, отвечающих задачам сегодняшнего дня. Варианты: ввести в сплав 3-й, 4-й, 5-й компонент. Но многокомпонентные сплавы становятся очень дорогими, каждый новый компонент в два раза увеличивает стоимость сплава. Другой способ: получить сплав с необычной, не свойственной металлу структурой. В естественном состоянии все металлы обладают кристаллической решеткой. В середине XX века было сделано открытие: металл можно превратить в аморфное вещество без кристаллической решетки, и тогда он будет обладать новыми свойствами. Расплавленный, жидкий металл аморфен, однако при охлаждении он начинает кристаллизоваться. Если резко остановить этот процесс, металл застынет, сохраняя свойства аморфного вещества, и по структуре станет ближе к стеклу, чем к обычному металлу. 

Как это сделать практически? Чтобы кристаллизация не началась, требуется охлаждение со скоростью 1 млн градусов в секунду. Условие обеспечить невозможно, тупик. Потом оказалось, что все-таки возможно, придумали несколько способов, и самый продуктивный оказался с медным диском. Если взять большой медный диск (у меди очень высокая теплопроводность), заставить его вращаться и полить струйкой жидкого металла на огибающую поверхность диска, то медь сразу заберет все тепло, и металл застынет. Первые ленты аморфного металла были очень тонкие (20-30 микрон). Но атомы металлов в них действительно располагались хаотически. Теперь уже научились получать такие металлы и в виде слитков. 

У этого металла несочетаемые на первый взгляд свойства. Обычно материал обладает либо твердостью, либо пластичностью. Аморфный металл и тверд, и пластичен одновременно. Его можно растягивать и им можно резать. Электрические и магнитные свойства у них тоже отличаются от обычных металлов. К тому же аморфный металл невероятно устойчив к коррозии, поэтому одна из сфер его применения — изготовление защитных покрытий для обычного металла. Почему такой металл не корродирует — по словам Валерия Евгеньевича, ученые еще не нашли исчерпывающего объяснения, но эта проблема одна из «топовых» в зарубежной физике сегодня. Одно из объяснений — в аморфном состоянии связи между атомами крепче, им не так легко вступить в реакцию с кислородом. Защитные покрытия из аморфного металла используются в судо-, авиа-, ракетостроении. 

Составной частью национального проекта «Наука» является федеральный проект «Развитие кадрового потенциала в сфере исследований и разработок». Из официальной позиции Министерства науки и высшего образования Российской Федерации следует, что участниками национального проекта являются образовательные и научные организации, функции учредителей которых выполняют федеральные органы исполнительной власти. Данные организации принимают участие в конкурсных процедурах, направленных на достижение целевых показателей федеральных проектов. Важным элементом при подаче заявок на конкурсы является готовность региональных исполнительных органов государственной власти к созданию социальной инфраструктуры и поддержки кооперации научных учреждений с предприятиями реального сектора экономики.

Валерий Сидоров рассказал о трансформаторной стали, которую делают в Екатеринбурге на ВИЗе (она идет на сердечники для трансформаторов). Традиционный трансформатор, даже сварочный, уменьшенный — большая и очень тяжелая «будка». Аморфный металл позволил превратить сварочный трансформатор в небольшой портативный чемоданчик. Также благодаря выдающимся магнитным свойствам аморфного металла из него делают сердечники для радиоприемников. 

Свойства аморфного металла зависят от того, из какого расплава он сделан. В НОЦ «Расплав» ученые занимаются свойствами будущего расплава, из которого должно получиться хорошее аморфное состояние: измеряют сопротивление, магнитные свойства, плотность, вязкость, скорость ультразвука. После подбора параметров ученые отправляются за границу, к партнерам НОЦ «Расплав» в Братиславе (Словакия), потому что собственной базы для производства аморфного металла в УрГПУ нет. Все остальное есть: кроме самой последней стадии остальные, подготовительные осуществляются именно здесь, в четырех небольших лабораториях, силами нескольких сотрудников. 

Валерий Сидоров и Борис Русанов пригласили всех желающих студентов присоединиться к работе НОЦ «Расплав», но предупредили, что в работе физика-экспериментатора очень много ручного труда: крутить гайки, пилить, паять и так далее. И, разумеется, нужно знать физику в объеме университетского курса и иметь желание исследовать свойства металлов и их сплавов. 

Наночастицы и электричество 

В этот же день была запланирована экскурсия студентов УрГПУ в институты УрО РАН. Организовал экскурсию профессор, доктор физико-математических наук Петр Станиславович Попель. Первым студенты посетили Институт электрофизики. 

Заместитель директора по науке Антон Кайгородов и председатель Совета молодых ученых Александр Чепусов рассказали о том, как был основан Институт электрофизики (его создание в 1986 году связано с томской научной школой сильноточной электроники и именем академика Геннадия Андреевича Месяца). Направления института: физика и техника высоких плотностей энергии, получение и использование пучков заряженных частиц и ионизирующего излучения, работы по нанотехнологиям и многое другое. Одно из всемирно известных изобретений, сделанных в этом институте, — источники пикосекундных электронных пучков. Генераторы этих пучков под названием «Радан» используются и в академических научных исследованиях, и в промышленности. 

— Импульсный ток и импульсное напряжение — это то, чем мы занимаемся. Мы берем ток и резко сжимаем его по времени — вы сейчас слышали о наносекундах и пикосекундах, — в результате чего очень сильно увеличивается мощность. Например, можем получить 6 гигаватт в течение 7 наносекунд. Поясню на примере: допустим, вы заблудились в лесу, и у вас есть фонарик с одной батарейкой. Вы можете тратить эту батарейку в обычном режиме, тусклого света хватит надолго, но вас может никто не найти. А если «спрессовать» всю энергию в 1-3 мощных коротких импульса, то вспышка будет такой яркой, что это повысит шансы на спасение. Одно и то же количество энергии можно потратить по-разному, долго и тускло или коротко и ярко. Нам больше нравится «коротко и ярко», и мы изучаем этот режим и его возможности, — объяснил Антон Кайгородов

Затем студенты проследовали в лабораторию прикладной электродинамики, где им рассказали о своих исследованиях научные сотрудники института Сергей Заяц и Алексей Никонов

— Как вы уже поняли, мы здесь берем электричество и к чему-то его прикладываем, — рассказал в своей лаборатории Сергей Заяц. — Здесь мы решили приложить его к нанопорошкам

Сергей Владимирович рассказал о свойствах нанопорошков и о том, как наноразмер частиц влияет на характеристики вещества. В химии уменьшение размера частиц реагента ускоряет химическую реакцию. В физике это можно сравнить с детской игрой «Цепи кованые». 

— Представим, что у нас есть цепочка «больших людей», держащихся за руки, — микронная. Напротив них — цепочка той же самой массы, но состоящая из «нанолюдей». При той же массе их больше, значит, больше рядов, следовательно, больше «переплетенных рук» — связей. Вещество из наночастиц будет элементарно прочнее. 

Сергей Заяц показал образцы, изготовленные из спрессованных под воздействием электричества металлических нанопорошков. Студенты смогли убедиться, что довольно тонкие «таблетки» под механическим воздействием не гнутся и не ломаются. 

Сотрудник этой же лаборатории Алексей Никонов рассказал, что еще делают с нанопорошками. Кроме прессования, из них можно отливать пленки. Он показал студентам специальную линию — «кухню», где готовят шликеры. Это вязкая жидкость, предназначенная для литья. Пленки известны давно, но в Институте электрофизики изобрели технологию литья очень прочных пленок из нанопорошков. 

В лаборатории импульсной техники экскурсию для студентов провел Максим Педос. Экскурсия проходила в бункере. В этом помещении очень толстые, обшитые железом стены — для того, чтобы обезопаситься от разных типов излучения. Лаборатория также занимается наночастицами, но если предыдущая лаборатория имела дело с наноразмерами, то здесь «нано-» относится к секундам. У трех самых мощных электростанций в мире мощность вырабатываемого электричества — порядка 24 гигаватт. Импульсный генератор, находящийся в бункере, позволяет получать мощность около 50 гигаватт. Но питать дома и заводы от него нельзя, потому что всю энергию он отдает за очень короткое время (250 пикосекунд, или четверть наносекунды). Это нужно для фундаментальных исследований. В частности, генератор является источником напряжения для приборов, вырабатывающих СВЧ-излучение (лампы обратной волны). 

Охлаждение как фундаментальная научная задача

На следующую экскурсию, в Институт теплофизики, студенты УрГПУ пришли уже слегка уставшими, но и там увидели немало интересного. Гостей встречал младший научный сотрудник Антон Акашев

— В теплофизике много различных направлений. В нашей лаборатории мы занимаемся свойствами криогенных веществ. Есть у нас компьютерное моделирование, быстро протекающие процессы, сверхпроводники и так далее. 

Знакомство с институтом начали с криогенной базы, увидели сосуды-дюары для жидкого азота, сконструированные по принципу термоса, узнали о том, как работает установка для получения азота непосредственно из воздуха. Азот для опытов у института свой, а вот гелий, который также широко применяется в их исследованиях, приходится покупать, хотя система для создания жидкого гелия в институте тоже имеется. 

Затем Антон Александрович показал студентам и другие лаборатории института. В лаборатории криогеники и энергетики занимаются исследованием свойств жидких растворов. Сотрудницы продемонстрировали установку для измерения поверхностного натяжения сжиженных газов. В ходе дальнейшей экскурсии студентам запомнился эксперимент со сравнением свойств теплопроводности различных материалов, который показал заведующий лабораторией теплопередающих устройств доктор технических наук Юрий МайданикЮрий Фольевич рассказал о тепловых трубах и о процессах теплообмена при испарении теплоносителей из капиллярно-пористых материалов, продемонстрировал системы охлаждения для компьютеров и компьютерных серверов на основе контурных тепловых труб. 

Студенты УрГПУ интересовались, как академические институты набирают штат сотрудников, есть ли аспирантура, каковы перспективы профессионального роста. Общее впечатление было — «очень интересно», при том, что «много мозговой деятельности». Но другой наука, очевидно, быть и не может. И хотя далеко не все выпускники даже профильных кафедр потом становятся учеными, наука продолжает задавать цели и ориентиры и будущим инженерам, которых выпускает УрФУ, и будущим преподавателям, которых выпускает УрГПУ. 

Уральский государственный педагогический университет благодарит Институт электрофизики и Институт теплофизики УрО РАН за экскурсии по своим лабораториям и знакомство с основными направлениями своей работы, и выражает надежду на дальнейшее сотрудничество.

Пресс-служба УрГПУ
Текст и фото: Ирина Шаманаева