— Расскажите об идее центра, о том, как вы познакомились, что вас объединило и почему вы решили создать Центр вычислительной физики?

Кирилл: История простая, зато счастливая. Вот уже более пяти лет у нашей группы «Цифровой Керн» идет совместная работа с компанией «Роснефть» по созданию технологии цифрового керна. Керн — это образец горной породы, взятый с большой глубины, и важный источник информации: геологоразведочные и добывающие компании проводят многочисленные лабораторные исследования кернов, чтобы понять, чего ожидать при промышленных работах. Это экспериментальные исследования, ресурс которых ограничен количеством образцов, а также трудностями добычи, перевозки и хранения кернов. Около 5 лет назад заказчик поставил перед нами задачу — не только импортозаместить, но и «импортообогнать». За это время нам удалось создать программный комплекс, который не имеет аналогов в мире.

Благодаря этой работе я и познакомился с Николаем: нам понадобилась помощь в решении задачи из области молекулярного моделирования. Это была маленькая, но сложная задача в рамках большого и ответственного проекта, и в его лаборатории она была успешно решена. Сотрудничество сближает, и однажды мы разговорились о том, как же нам, физтехам, «тяжело» живется: у нас такие сильные команды, собранные в рамках коммерческих проектов, а «приземлить» их негде…

Конечно, от первого проблеска идеи возвращения в лоно alma mater до организации настоящего подразделения в МФТИ прошло время, нам потребовался почти год, чтобы обдумать и сформулировать концепт нового центра, представить его руководству МФТИ, получить поддержку на всех уровнях. Особенно нам помог директор Физтех-школы физики и исследований им. Ландау Андрей Вячеславович Рогачев. На высоком уровне поддержку и ускоряющий момент мы получили от проректора по научной работе Виталия Анатольевича Багана, и, конечно, от ректора МФТИ Дмитрия Викторовича Ливанова. Теперь у нашей объединенной команды появилась настоящая база на Физтехе, место, где мы будем жить и развиваться дальше. Мы будем продолжать вести текущие исследования, а также осваивать новые направления совместно в нашем Центре вычислительной физики ЛФИ в МФТИ.

Николай: Для нашей лаборатории объединение с командой Кирилла — большая удача. Мы занимаемся исследованиями на молекулярном масштабе, а в научной группе Кирилла представлен практически полный спектр масштабов описания материи. Это и статистические модели, модели в масштабе пор, сплошной среды, и разнообразные промежуточные решения на мезомасштабе, турбулентные режимы и высокоскоростные потоки, например, обтекание крыла самолета. Центр вычислительной физики объединил людей, обладающих глубокими знаниями в различных областях физики, вычислительных методов, высокопроизводительных вычислений, оптимизационных задач.

Зачастую лаборатории фокусируются на определенном научном направлении, используя устоявшийся набор инструментов. Как бы ни были впечатляющи результаты исследований, с точки зрения промышленности и потенциальных заказчиков наши компетенции очень узкие, и поэтому сложно соответствовать разнообразным и высоким требованиям. А сейчас у нас появился, можно сказать, веерный подход, когда есть специалисты из разных областей, и есть центр, который объединяет их разнообразные компетенции.

И это обогащает: люди обмениваются знаниями, и в ходе синергии рождаются новые интересные направления. Нам бы очень хотелось, чтобы в рамках нашего подразделения появлялись новые идеи на границе соприкосновения разных областей и масштабов изучения материи, чтобы мы могли решать задачи переднего края возможностей науки.

— Над какими задачами и в каких областях вы работаете?

Кирилл: Одно интересное направление называется «стохастические реконструкции» — мы решаем некорректно поставленную обратную задачу с помощью самых разных методов. Это позволяет нам создавать различные 3D структуры материалов, которые обладают нужными физическими свойствами. При этом мы можем поймать корреляции между структурой и свойствами и настроить модели так, чтобы создать материалы с заведомо известными свойствами. Например, материалы для фильтров, обладающие определенной пропускной способностью, проницаемостью, при этом способные улавливать частицы определенного размера. На основе стохастических реконструкций мы также решаем фундаментальные задачи в области структуры наноматериалов, в том числе с помощью малоуглового рассеяния. Так, мы предложили принципиально новую технологию наноисследований структуры: надеемся, что РНФ поддержит заявку старшего научного сотрудника нашего Центра — Марины Карсаниной.

Тут важно отметить, что несмотря на нашу ориентированность на решение прикладных задач промышленности, мы не забываем и о том, с чего начинается прикладная часть, — а именно о фундаментальной науке. Здесь мы постоянно работаем над пониманием новых физических аспектов — тензорная природа транспортных свойств материи, правильный переход между масштабами, термодинамически обоснованные подходы к описанию массопереноса и многое другое.

Новые знания тут же находят приложения внутри наших моделей и программных кодов, например, в недавно вышедшей статье в журнале Journal of Computational Physics. У нас много достижений в области описания структуры материалов — ведь структура определяет физические свойства — и мы недавно опубликовали статью в журнале Physical Review E. Интересной является работа в области классической теории функционала плотности, возглавляемая Алексеем Хлюпиным, обеспечивающая связку молекулярного и континуального масштабов, — эти исследования находят применение как в описании свойств нетрадиционных коллекторов нефти и газа, так и в дизайне топливных элементов, — об этом, например, недавняя статья в журнале Journal of Colloid and Interface Science.

Всего в этом году в Российский научный фонд от Центра было подано пять больших заявок на группы и междисциплинарные проекты, и четыре «малых» проекта для молодых ученых. В настоящее время мы реализуем междисциплинарный проект РНФ совместно с Сибирским федеральным университетом.

Николай: Мы работаем в области физики конденсированного состояния. В частности, нас интересуют структура и свойства мягкой материи: различных флюидов, молекулярных жидкостей, жидких кристаллов, аморфных веществ (например, керогенов), а также биологических систем. Вычислительные методы позволяют пролить свет на множество аспектов, недоступных при сугубо теоретическом подходе. Например, особенности поверхностных эффектов разных жидкостей в нанопорах или структурные перестройки молекул в растворах.

В этом году нами создана модель для расчета поверхностных свойств нефтей в контакте с водой на разнообразных неорганических поверхностях совместно с ОИВТ РАН. Над ней работала большая часть коллектива, включающая старшего научного сотрудника Илью Копаничука. Практическое применение этого исследования находится в сфере геологического и гидродинамического моделирования, что особенно важно для разработки месторождений углеводородов, включая месторождения с трудноизвлекаемыми запасами. Модель применяется в нефтегазовой компании России.

Мы также продолжаем работу в области применения методов молекулярного моделирования для прогнозирования свойств сложных промышленных жидкостей, таких как смазочные и топливные материалы. Осенью 2023 года наша работа по предсказанию сдвиговой вязкости смеси при разных концентрациях составляющих ее веществ вошла в финал 12-го международного тематического конкурса Industrial Fluid Properties Simulation Challenge, а недавно у нас вышла статья в журнале Fluid Phase Equilibria. Цифровой поиск жидкостей с необходимыми свойствами востребован нефтяными компаниями и производителями промышленных жидкостей, и они уже проявляют интерес к нашей работе.

В частности, весной мы вместе с младшим научным сотрудником Владимиром Дещеней приняли участие в Хакатоне «Нефтекод», организованном компанией «Газпром нефть» и НОЦ Инфохимии ИТМО. На этом конкурсе оценивалась возможность слепого прогнозирования целевого свойства реальных смазочных жидкостей. Наш коллектив занял первое место из 70 команд из разных организаций. Сейчас мы развиваем взаимодействие с НОЦ Инфохимии ИТМО и компанией «Газпром нефть».

Кирилл: Особенность нашего центра состоит в том, что мы хотим, сохраняя фундаментальный подход, облекать получаемые нами результаты в технологические решения, которые будут нужны промышленности. И хотя на самом деле этот процесс очень долгий и извилистый, у нас уже есть опыт, многое мы научились делать. В перспективе, когда мы создадим свою образовательную программу, у нас даже планируется курс про то, как «заворачивать» научное исследование, чтобы получить практический результат, востребованный промышленностью.

— Какие планы у центра на ближайшее будущее? Когда появится ваша образовательная программа? Собираетесь ли вы привлекать студентов, и если да, то к какой работе?

Кирилл: Студентов мы любим и ждем! Да, мы обязательно представим свою образовательную программу, но это будет года через три. Почему? Потому что наша задача на старте работы центра — выстроить взаимодействие с индустриальными партнерами. Это необходимо, чтобы у нас было хорошее и постоянное финансирование, и чтобы мы понимали, что именно нужно промышленности. На основе этого понимания мы и начнем работу со студентами, сделаем отдельные курсы, в том числе, например, курс про то, как надо «перепрыгивать яму» между фундаментальными исследованиями и их приложением.

Но и сейчас мы про студентов не забываем. Наш центр всегда открыт для научного руководства и готов брать студентов и аспирантов. Мы уже рассказали о себе первокурсникам на мастер-классах «Горизонты физики». Участвуем в программе «Ментор», и наш коллега Илья Копаничук заинтересовал студентов своим проектом. Все ключевые сотрудники центра являются потенциальными научными руководителями сильных студентов, некоторые ребята уже оформили свои результаты в виде статей в ведущие международные журналы только начав работу в нашем Центре.

Николай: В ЛФИ и в целом на Физтехе много фундаментальной науки, существуют хорошие традиции, много лабораторий, которые решают сложные научные задачи. В нашем центре наука будет соприкасаться с индустриальными задачами, и в этом взаимодействии должны рождаться как новые фундаментальные знания, так и новые технологии.

Мы хотим, чтобы наш центр работал «в обе стороны» — подготавливал и выявлял тех, кто хочет работать в фундаментальной науке, и тех, кому больше интересны прикладные задачи, которые формируются с участием индустриальных партнеров. Причем эти задачи — тоже сложные, и для их решения применяются методы из разных областей физики, математического моделирования, вычислительные подходы, высокопроизводительные вычисления.

Мы уверены, что ЛФИ и весь Физтех выиграют от того, что наш центр сможет решать задачи как в области фундаментальной науки, так и нацеленные на практический результат, и, главное, привлекать к ним студентов. ЛФИ готовит очень сильные кадры именно с фундаментальным образованием, с обширными и глубокими знаниями физики в ее самых различных аспектах, соприкасающихся с биологией, с химией и так далее. Но не всем ребятам хочется заниматься исключительно научными исследованиями. В нашем центре они смогут попробовать свои силы в индустриальных научных задачах, для решения которых нужно применить и глубокие знания физики, и ИТ-навыки. Мы покажем студентам, что можно заниматься решением фундаментальных задач и увидеть, как твоя работа находит практическое применение через год или два.

— Будет ли центр взаимодействовать с другими лабораториями МФТИ и привлекать новых партнеров? И какие инструменты вы используете, чтобы найти партнеров, единомышленников?

Николай: Мы всегда открыты к сотрудничеству. Наш центр — «камерный», это примерно тридцать человек, которые составляют «внутренний контур» центра и имеют разносторонние компетенции. Мы будем взаимодействовать с большим количеством научных коллективов, привлекать их в разные проекты, создавая новые проектные научные группы. Можно сказать, мы будем расти вширь, развивая сотрудничество с другими лабораториями, при этом будет сохраняться ядро центра как главное место экспертизы.

Объем коммуникации и совместного участия в работе, определенно, зависит от области знания: есть области, которые развиваются в узком профессиональном сообществе, а есть те, где без кооперации, без взаимодействия с коллегами невозможно ничего сделать. Пример проекта, с которого началось наше сотрудничество с Кириллом, это ярко иллюстрирует. Он сочетает и физику, и вычислительные методы, и высокопроизводительные технологии, а также завязан на ряд экспериментальных измерений.

Для нашей области, сочетающей фундаментальную науку и перспективу практического применения результатов, нужно как можно шире и серьезнее диверсифицировать то, что делаешь, — к успеху приходит тот, кто движется широким фронтом. У нас в центре много научных векторов, по которым мы будем вести исследования, и мы знаем, что какой-то из этих векторов окажется востребованным, допустим, через год или два, другой — через пять лет, а третий — через десять лет. Такой же веерный подход у нас в плане выстраивания научной коммуникации.

Научное общение заключается и в рецензировании и написании статей: когда вы пишете статьи, вы ссылаетесь на разных авторов, смотрите, какую организацию представляет коллекти, понимаете, с кем вы можете взаимодействовать. Также важно участие в промышленных конференциях. Например, недавно мы ездили на конференцию в Газпром ВНИИГАЗ. Коллегам были интересны наши доклады и во время круглого стола они спрашивали, что мы можем сделать, запросили презентации.

Очень важны личные отношения, дружба между научными подразделениями и общие мероприятия. А еще есть Конгресс молодых ученых, туда приезжают лучшие умы со всей России. И спасибо Физтеху за то, что он два раза меня туда направлял: я гораздо больше увидел, чем если бы безвылазно сидел в лаборатории.

Инструментов коммуникации много, и они дают интегральный эффект. Наука сегодня — это работа с аудиторией, знакомство и общение с потенциальными партнерами, понимание, что именно востребовано и как мы можем это сделать. Работа нашего центра нацелена на то, чтобы повышался уровень готовности технологии (technology readiness level (TRL)), и мы не достигнем этой цели в одиночку, без широкой и разносторонней кооперации.

Для студентов, желающих узнать больше о Центре вычислительной физики, познакомиться с научными проектами, найти научного руководителя, а также для всех интересующихся — контакты:

k.gerke@digital-core.ru Кирилл Миронович Герке
kondratyuk.nd@mipt.ru Николай Дмитриевич Кондратюк