Материалы с памятью формы, металлические монокристаллы и сверхпрочные покрытия. Кафедра физики металлов ведет широкий круг исследований

– Теоретические исследования, которые мы начали еще десятилетия назад, на практике пригодились только сейчас, – говорит зав. кафедрой физики металлов Александр Тюменцев.
Впрочем, за все 75 лет своего существования кафедра всегда «бежала впереди паровоза». Да и само ее появление – результат такого же «форсайт-проекта», который некогда возник по инициативе известного томского физика.

От практики к теории
Материаловедение образца начала прошлого века представляло собой в основном сугубо экспериментальную науку – смешать разные элементы, посмотреть, что получится, сделать выводы… Потому и соответствующие кафедры и лаборатории находились в технических вузах.
Но профессор ТГУ Владимир Кузнецов считал, что создание новых металлических материалов с заданными свойствами невозможно без привлечения методов теоретической и экспериментальной физики. А этим направлением в стране тогда мало кто занимался. В ТГУ стали создавать модели для сложных явлений пластической деформации и разрушения, пытаясь разобраться в том, что протекает в материале на атомном уровне. Экспериментальные исследования выполнялись уже в соответствии с прогнозами моделирования.
В 1924 году состоялся 4-й всесоюзный съезд физиков, на котором Кузнецов выступил с восьмью докладами. Результаты исследований поразили академика Иоффе – как в далеком провинциальном городе, где не было ни оборудования, ни известной физической школы, могли вестись исследования на таком уровне? Тогда и было решено создать в Томске «первоклассную физико-техническую лабораторию», которая носит теперь название Сибирский физико-технический институт.
Умение Кузнецова увлекать людей своими идеями, организовывать их собрало вокруг него молодую и перспективную команду, которая занялась исследованиями в области твердого тела, проблем прочности, трения, износа, пластической деформации. Под руководством ученицы Кузнецова профессора Марии Большаниной возникла научная школа по физике пластичности. А вскоре встал вопрос о том, что для нового направления необходимо готовить кадры. И в 1939 году появилась кафедра физики металлов, организатором и первым руководителем которой стал Владимир Кузнецов, являвшийся одновременно и директором СФТИ.

Работа на будущее
– Сначала на кафедре велись исследования с чистыми металлами, а потом, в 50-х годах, появилась теория дислокаций (нарушение кристаллической решетки твердого тела, влияющее на его физические свойства). Физики Томска были одними из первых, кто эту идею воспринял и начал использовать. Мы стали работать с разными сплавами, создавать материалы с заданными свойствами, – вспоминает профессор ФФ Александр Коротаев.
Большинство исследований, проводившихся тогда, не имели практического выхода. Во-первых, не было соответствующего технологического оборудования, считалось, что университет не должен этим заниматься. А во-вторых – результаты этих исследований намного опередили время. И только сейчас они становятся по-настоящему востребованными.
В 2001 году на ФФ был организован Томский материаловедческий центр коллективного пользования, а затем и НОЦ «Физика и химия высокоэнергетических систем». Это вывело исследования кафедры н новый уровень. Когда-то сотрудникам приходилось чуть ли не самим создавать приборы для научной работы, теперь в их распоряжении современное оборудование.
Но чтобы появилась сильная научная школа, нужен «человеческий фактор». Исследования Владимира Кузнецова продолжили и расширили выпускники кафедры: академик Виктор Панин (основатель и первый директор ИФПМ СО РАН), профессора Вениамин Фадин, Константин Савицкий, Александр Коротаев и другие. Благодаря им, в Томске сформировалась одна из ведущих в России школ по физике твердого тела и физическому материаловедению. Ее исследования широко известны и за рубежом.

Металлы с памятью
Разработкой материалов с памятью формы и сверхэластичностью сотрудники и выпускники кафедры начали заниматься еще в начале 60-х годов. Впервые в стране были обоснованы широкие возможности использования этих материалов в медицине.
В конце 70-х, при активном содействии Егора Кузьмича Лигачева результаты исследований попали на стол председателю Госкомитета по науке и технике. Под это направление выделили 12 ставок. В результате была организована лаборатория, руководителем которой стал профессор кафедры Виктор Гюнтер. Затем она была преобразована в институт, а в 2003 году состоялся первый набор студентов на специализацию «Медицинская физика».
Сейчас НИИ медицинских материалов и имплантатов с памятью формы – один из ведущих в стране в своей области. Впервые в мире были созданы пористые материалы и имплантаты на основе никелида титана, исключительно перспективные для использования в медицине. Например, такие имплантаты применяются для введения в организм стволовых клеток. В настоящее время они широко используются в травматологии, хирургии, стоматологии, онкологии и др. Институт сотрудничает с СГМУ, НИИ онкологии, клиниками им. Савиных и многими другими медицинскими учреждениями страны.
Еще одно научное направление кафедры, развиваемое здесь уже около 40 лет, связано с выращиванием и изучением металлических монокристаллов, в том числе, ферромагнитных с памятью формы, которые могут использоваться в авиационной, космической промышленности, навигации. Под руководством профессора Юрия Чумлякова по разработанной им уникальной методике выращиваются достаточно крупные кристаллы, из которых можно изготовить детали для силовых устройств, детекторов. В этой области ученые активно взаимодействуют с коллегами из университетов Германии, Испании, США.

Все выше и выше
Уже более 12 лет кафедра металлофизики сотрудничает с Госкорпорацией «Росатом», в дорожной карте которой прописано создание в ближайшие десятилетия реакторов нового поколения, в том числе, реакторов термоядерного синтеза. В ТГУ разрабатываются новые сплавы для активных зон этих реакторов. Их выплавляют на предприятиях «Росатома» и отправляют в Томск для дальнейших исследований.
– Используемые в настоящее время конструкционные материалы активных зон ядерных реакторов работают при температуре 550 градусов, – говорит профессор Александр Тюменцев. – Сейчас уже созданы сплавы, работающие при температурах 600-620 градусов. Мы же пытаемся повысить эту температуру до 650-670. И уже нынешние наши результаты говорят о том, что мы можем добиться, чтобы новые ванадиевые сплавы выдерживали температуру около 800 градусов, а может быть и выше. Конечно, это работа в значительной степени на перспективу. И по существу, тот фундаментальный задел, который мы получили еще в середине 80-х годов по разработке такого сорта сплавов, является основой разработки современных конструкционных материалов активных зон ядерных реакторов деления и синтеза.
Один из таких реакторов собираются запустить во Франции в 2022 году. Это международный проект, в котором принимают участие и томские физики-материаловеды.

Весь покрытый кремнием…
Перспективные материалы и конструкции можно получать не только путем создания новых сплавов, но и лучевой модификацией поверхности и нанесением специальных покрытий. Исследования в этом направлении ведутся под руководством профессора кафедры Александра Коротаева с середины 80-х годов. В настоящее время работающими в ИФПМ СО РАН выпускниками кафедры для исключения канцерогенности имплантатов из никелида титана используется обработка поверхности электронным пучком. Перспективным является применение в тех же целях насыщения поверхности кремнием методом плазменного легирования по технологии созданной на кафедре.
Также сотрудниками кафедры и их коллегами из ИФПМ СО РАН разрабатываются для технологической платформы «Медицина будущего» различные имплантаты для организма человека, в том числе и для сердечной хирургии.
– Вот так и получается, что созданные на нашей кафедре материалы могут применяться в самых различных областях – от сердца человека до сердца атомного реактора, – улыбается профессор Тюменцев. – Но я хочу подчеркнуть, что в этом широком спектре научных исследований участвуют все металлофизики Томска, где бы они ни работали. Ведь практически все они – наши выпускники.
Кафедра физики металлов всегда отличалась глубоким интегрированием с научными структурами. Сегодня практически невозможно отделить кафедру от лабораторий СФТИ и ИФПМ. Она стала прочным сплавом науки и образования. Профессора и доценты кафедры работают одновременно сотрудниками лабораторий, возглавляют их. Ученые ИФПМ курируют научную работу студентов.
Кафедра является одной из самых популярных на факультете среди студентов. Они приходят на кафедру после второго курса (а иногда и раньше) и сразу же включаются в научную работу. И за ними будущее кафедры.

наталья шарапова