flying_bear (flying_bear) wrote,
flying_bear
flying_bear

Category:

Фундаментальная и прикладная наука 2

(начало http://flying-bear.livejournal.com/435256.html)

Другой пример проблемы, потенциально важной для приложений – магнетизм металлов и сплавов. Одна из важнейших технических характеристик магнитного материала – намагниченность при комнатной температуре. Наилучшим магнитомягким материалом является пермендюр – железо-кобальтовый сплав, с небольшими добавками других металлов для улучшения механических свойств. Он известен более восьмидесяти лет, и за все это время характеристики магнитомягких материалов существенно улучшить так и не удалось – факт совершенно поразительный, если сравнить его с темпами прогресса в других областях науки о материалах. В этом сплаве магнитный момент насыщения - приблизительно 2.7 магнетона Бора на атом. Максимальное значение магнитного момента для d-элемента – пять магнетонов Бора. Для f-элемента – семь, и такой ферромагнетик широко известен: это гадолиний, но он имеет сравнительно низкую температуру Кюри. Почему нельзя надеяться на существенное повышение температуры Кюри у редкоземельных магнетиков – понятно из качественных соображений: чем сильнее степень локализации состояний у «магнитных» электронов, тем слабее обменные взаимодействия, приводящие к ферромагнетизму. Для d-металлов ситуация тоже, отчасти, понятна: когда заполнение d-зоны близко к половинному, что соответствует пяти магнетонам Бора на атом, обменное взаимодействие приводит не к ферромагнетизму, а к антиферромагнетизму. Этот вывод сделан, опять же, на основании некоторых нестрогих качественных соображений, вместе с результатами расчетов обменных взаимодействий «из первых принципов» (A. I. Liechtenstein, M. I. Katsnelson, V. P. Antropov, and V. A. Gubanov, Local spin density functional approach to the theory of exchange interactions in ferromagnetic metals and alloys, J. Magn. Magnet. Mater. 67, 65 (1987)). В процитированной работе для демонстрации возможностей именно количественных методов, был рассмотрен «магический квадрат» изоструктурных соединений: FePt3, FePd3, MnPt3, MnPd3, два из которых (первое и последнее) антиферромагнитны, а два остальных – ферромагнитны, в полном согласии с результатами количественной теории. Крайне затруднительно представить себе простую качественную модель, вопроизводящую этот результат! Расчеты обменных взаимодействий в магнитных материалах – сейчас вполне отработанная и достаточно надежная методика, так что, по-видимому, поиск новых магнитомягких материалов с улучшенными характеристиками уже вполне можно делать путем расчетов, вместо синтеза и исследования реальных сплавов и соединений.

Расчеты, основанные на методе функционала плотности, в какой-то степени уже начали влиять на язык, используемый в металлургии. Постепенно формируется понимание, насколько магнитные степени свободы важны для фазового и структурного состояния различных сплавов железа, включая систему железо-углерод. Это понимание, в свою очередь, открывает новые возможности для оптимизации технологических процессов.

Очень интересен также обратный вопрос, о влиянии прикладной науки на фундаментальную. Несомненно, внушаемая всем, учившимся в советских вузах, мысль о практической потребности как основной движущей силе научного прогресса, кажется сейчас несколько неполной. У науки есть своя внутренняя логика развития, которой необходимо следовать, иначе она болеет и чахнет. Иными словами, наука должна развиваться гармонично. С этой точки зрения, кажутся совсем не самоочевидными расхожие представления о пользе гонки вооружений и холодной войны для развития науки. Развиваться-то она развивалась, но достаточно односторонне. Тут уместно вспомнить главного героя повести Вадима Шефнера «Курфюрст Курляндии», посвятившего свою жизнь выведению четвероногих кур (поскольку известно, что самое вкусное у курицы – это ножки). Может, и неплохо иметь курицу, состоящую из одних ножек, но, к сожалению или к счастью, это невозможно. Чтобы есть ножки, приходится тратить куриный корм на формирование и развитие и перышек, и грудок, и гребешков. Замечу, кстати, что, по крайней мере, грудки имеют несомненную самостоятельную кулинарную ценность. Побочные результаты гармоничного развития науки могут оказаться не менее, а более вкусными, чем запланированные.

Менее аллегорически выражаясь, можно вспомнить «сверхпроводящий бум» 1987-1989 годов. Попытка искусственно выделить и финансово поддерживать только одну область физики не могла привести ни к чему хорошему и, разумеется, не привела. Хорошо помню это время. Люди, занимавшиеся, к примеру, зонными расчетами (на мировом уровне и выше) могли существенно, в разы, увеличить свои доходы, переключившись на воспроизведение американских и японских работ по электронной структуре высокотемпературных сверхпроводников, только в сильно ухудшенном, по причине неадекватности компьютерных возможностей, виде. Человек слаб – именно на это, они, в большинстве, и переключились, катастрофически снизив эффективность своих исследований. Насколько знаю, в области экспериментальной физики и химии твердого тела происходило примерно то же самое. Сверхпроводящий бум, несомненно, сыграл свою роль (наряду с другими, более мощными факторами) в разрушении советской науки. В свете нынешнего повышенного, скажем так, интереса к нанотехнологиям кажется особенно важным помнить этот урок и, по возможности, постараться не наступать на те же грабли.

В то же время, занятия только и исключительно наукой ради науки влекут свои, вполне очевидные опасности:

«Математика наших дней походит на крупный оружейный магазин мирного времени. Его витрина заполнена роскошными вещами, которые своим остроумным, искусным, пленяющим глаз исполнением восхищают знатока, а подлинные истоки и назначение этих вещей, их способность поражать врага отходят в сознании на задний план вплоть до полного забвения» (Ф. Клейн, Лекции о развитии математики в XIX столетии).

Здесь опять же уместна аналогия с развитием организма (курица ведь организм, да?), которое определяется, конечно, внутренней логикой функционирования сложных систем, но неизбежно требует обмена веществом, энергией и информацией с окружающей средой. К тому же, сделать что-то, одновременно и практически важное, и интересное в научном отношении, очень приятно. Просто это очень, очень трудно.

«Но мы не боимся трудностей. И мы найдем черную кошку в темной комнате. Даже если ее там нет».

Говоря более серьезно, тут переплетаются две логики: логика развития науки и логика развития техники. Скажем, если полупроводниковая технология «заточена» под определенные материалы, такие, как кремний или арсенид галлия, альтернативы, предлагаемые наукой (например, углеродная электроника на основе нанотрубок или графена) должны быть не просто более обещающими – выигрыш от их использования должен перевешивать неизбежные колоссальные потери от радикальной перестройки сложнейших и дорогостоящих производств.

Именно поэтому случаи, когда научное исследование реально привело к изменению технологии, столь редки. Нобелевская премия 2007 года по физике была присуждена Ферту и Грюнбергу за открытие эффекта гигантского магнитосопротивления в металлических мультислоях. Возможно, это не самая интересная проблема в области магнетизма в сугубо научном отношении, но она, бесспорно, важна и нетривиальна, и при этом открытие Ферта и Грюнберга привело к появлению новых способов считывания информации, реально используемых в производстве. Такое случается не слишком часто, но значение таких примеров для поддержания плодотворного взаимодействия науки и техники огромно.
Tags: наука умеет много гитик 2
Subscribe
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your IP address will be recorded 

  • 25 comments