В нашем проекте «Где рождается наукоемкий бизнес?» ученые в своих лабораториях рассказывают о перспективных исследованиях, разработках и их технологическом применении в различных сферах бизнеса. В этом выпуске беседа проходит с профессором Университета штата Нью-Йорк в Стоуни-Брук, заведующим лабораторией компьютерного дизайна материалов МФТИ Артемом Огановым.
Лаборатория компьютерного дизайна материалов МФТИ была создана в середине 2013 года за счет мегагранта правительства России, который я получил как раз для этой цели. Мегагрант — это, на мой взгляд, совершенно блестящая идея. Выделяется большая даже по мировым меркам сумма — миллион долларов в год. И эти деньги можно использовать на покупку оборудования, на зарплаты и так далее. За короткое время мне удалось привлечь целый ряд сотрудников: студентов, аспирантов как из МФТИ, так и из других мест России. И даже из других стран. У нас четыре сотрудника из Китая и один из Италии.
О лаборатории
Это уже четвертая лаборатория, которую я создаю. До этого одну лабораторию я создал в Америке, одну в Швейцарии и одну в Китае. И этот последний опыт наиболее приятный, наиболее интересный из всех. За очень короткий срок собралась уникальная команда. И прогресс здесь потрясающий. То, что в других странах я выстраивал годами, в этой лаборатории удалось достичь уже за год. Мы уже получаем уникальные результаты благодаря высокому качеству наших сотрудников.
Сейчас у лаборатории несколько целей. Мы развиваем новые методы для предсказания материалов. Эта одна из важнейших задач в современной науке — научиться создавать новые материалы на компьютере. Не экспериментировать методом проб и ошибок в обычной химической лаборатории, а создавать материалы, предсказывать, какие химические соединения в какой кристаллической форме будут представлять технологический интерес для того или иного приложения, обладать тем или иным интересным свойством.
Кто-то из нашей лаборатории работает, например, над новыми катализаторами, кто-то — над новыми магнитными материалами. Один из важных проектов — создание теории электронной структуры квазикристаллов. Это проект огромной фундаментальной важности. Еще одно направление — поиск новых сверхтвердых материалов. Такого рода материалы нужны для самых разных областей: в камнеобработке металлов, бурении и многом другом. Найдут им применение и в некоторых военных приложениях.
Одна из наших групп занимается анализом химической связи в веществах в экстремальных условиях. Это важно для понимания того, из чего, например, состоит наша планета. Это важно, чтобы понять, как получить материалы с совершенно новыми необычными свойствами, материалы, которые основаны на этой необычной химии высоких давлений.
Есть группа внутри лаборатории, которая разрабатывает новые методы машинного обучения. Это то, что позволит на порядки сократить время расчета, приблизиться к совершенно беспрецедентным расчетам и предсказаниям материалов очень высокой сложности. В моей американской лаборатории мы запустили еще один проект, который я надеюсь перенести и сюда. Это проект по предсказанию структуры белков. У нас уже есть первые, довольно серьезные успехи. Я думаю, что потребуется год, максимум — два, чтобы мы стали лидерами в этой области.
О методах и результатах
Был достигнут целый ряд результатов. По теории электронной структуры квазикристаллов уже создан формализм, выведено основное уравнение этой теории — одноэлектронное шредингероподобное уравнение для апериодических систем. Был предсказан ряд магнитных материалов, ряд новых лекарственных препаратов, пара новых сверхтвердых фаз.
Был получен ряд результатов, касающихся поверхности катализаторов. Гетерогенный катализ происходит ведь на поверхности материалов. Так что это позволит понять, как катализаторы, такие как диоксид титана, осуществляют свою функцию.
Прежде всего надо определить проект — над чем мы будем работать. Потому что мы работаем над предсказанием новых материалов, а это очень широкий спектр: от сверхтвердых материалов до лекарственных препаратов. Это фактически любые материалы, которые только можно себе представить. Плюс разработка новых методов, которые также покрывают широкий спектр разных направлений. Обычно, выбирая проект, сначала я присматриваюсь к человеку, его способностям, хороший ли он программист, хороший ли он математик, физик или химик. И в зависимости от его бэкграунда, его способностей мы вместе придумываем какой-то проект.
Пришел, например, один студент с горящими глазами, сказал: «Хочу разрабатывать новые лекарства». А у нас эта возможность есть. Я придумал проект, обговорил с ним совместно детали, уточнили направления, в которых мы будем двигаться. И в результате этого проекта за короткое время было разработано несколько лекарственных препаратов. И сейчас мы уже будем их патентовать.
Об «Успехе»
У нас есть своя компьютерная программа, которую писала моя лаборатория еще со времен работы в Швейцарии. И мы очень активно эту программу разрабатываем и по сей день. Темп развития экспоненциально растет. Программа называется USPEX. Это английская аббревиатура — Universal structure predictor: Evolution Xtallography (Универсальный предсказатель структур: эволюционная кристаллография). Разработки этой программы ведутся в моей американской лаборатории, отчасти в китайской и все больше и больше здесь, в российской лаборатории.
USPEX давно уже вышел за пределы лаборатории, им пользуются почти 2000 человек по всему миру. Совсем недавно лицензию купила компания Sony. До этого лицензию приобрели Intel, Fujitsu, Toyota. Так что пользователей у нас очень много как в академическом, так и в индустриальном секторе. Большие компании готовы платить очень большие деньги за право использования.
Об амбициях
Амбициозных идей у нас очень много. На самом деле все наши идеи амбициозны.
Амбициозная идея №1 — создать теорию квазикристаллического состояния. У меня есть очень талантливый студент — Игорь Блинов. Он это делает в одиночку. Задачу, с которой люди не могли справиться 30 лет, смог решить один человек, студент МФТИ. Это даст понимание нового состояния вещества, которое было открыто 30 лет назад и до сих пор полностью не понято. К чему это приведет, мы не знаем. Но, как всегда в науке, реальные результаты превосходят ожидания. Это обязательно приведет к чему-то новому, к новым типам материалов с необычными свойствами. А квазикристаллы обладают такими необычными свойствами.
Дизайн лекарственных препаратов. Мы все жалуемся, что в России производят только дженерики и нет своих лекарств. Надеемся, то, чем мы занимаемся, и изменит ситуацию.
Новые магниты — это многомиллиардная индустрия. Это проект, который тоже может иметь большие технологические и финансовые последствия. Старые магниты хороши всем, кроме одного. Все хорошие магнитные материалы, известные на сегодня, содержат редкие земли. Редкие земли находятся в монополии Китая, который скупил практически все мировые месторождения редких земель и полностью контролирует цену. В результате цена стала настолько высокой, что производить эти магниты для многих приложений уже нерентабельно. И ведется интенсивный поиск материалов, которые обладали бы сопоставимыми свойствами, но были бы существенно дешевле. Похоже, что мы уже кое-что интересное нашли. У нас есть 2–3 магнитных материала, которые могут оказаться рентабельными и интересными с коммерческой точки зрения. Сейчас проходят экспериментальные тесты. И если по их результатам окажется, что эти материалы имеют сопоставимые характеристики с редкоземельными, то это будет готовый коммерческий проект.
Белки — это сверхзадача. Не далее как вчера я смотрел на ПостНауке лекцию Константина Северинова, который прямым текстом сказал, что предсказание структуры белка — это основная задача биологии. Ни много ни мало. И мы сейчас начинаем заниматься этой задачей, уже есть первые успехи в ее решении. Мы можем надежно решать структуры относительно простых белков, но знаем, что сделать, чтобы научиться предсказывать структуры сложных белков. Сегодня ко мне подошел человек из Института физики растений и спросил, можем ли мы предсказать структуру белка с 850 аминокислотными остатками. Это нам точно не под силу. Но, по крайней мере, понятна планка. Может быть, через несколько лет мы и эту планку возьмем. Порядка 100, может быть, 200 аминокислотных остатков мы сможем научиться решать, думаю, в течение 2 лет.
О теории и практике
Наша лаборатория — чисто теоретическая. Я никогда в жизни не занимался экспериментом. И взял бы грех на душу, если бы попробовал руководить экспериментальными исследованиями. Для этого нужны чистые экспериментаторы. Эксперимент в науке необходим так же, как и теория. Поэтому, когда у нас возникает нужда в экспериментальном подтверждении наших результатов, я связываюсь со своими коллегами, которые могут провести тот или иной эксперимент.
Иногда сотрудничество требуется и в теории. Мы плодотворно работаем с Физическим институтом Академии наук (ФИАН), с группой профессора Успенского. Перспективное сотрудничество начинается с группой профессора Блатова в Самарском университете. Профессор Блатов — один из тех ученых мирового класса, перед которым я снимаю шляпу. В самые тяжелые годы он работал здесь, в России, в Самаре, и добился результатов, которые завоевали уважение всего научного сообщества.
Из международных институций мы сотрудничаем, разумеется, с моими американской и китайской лабораториями, а также с моим хорошим другом профессором Александром Гончаровым из Вашингтона. Он, кстати, выпускник МФТИ. Многие из наших результатов мы как раз тестируем на нем.
О науке и коммерции
Я не умею делать коммерцию и не хочу уметь. Потому что, если я научусь делать деньги, я разучусь делать науку. Каждый человек должен заниматься тем, что он умеет и ради чего он был рожден. Я с огромным уважением отношусь к бизнесменам. И, может быть, в другой жизни я и сам бы мог стать бизнесменом, если бы целиком посвятил этому свою энергию. Но я сделал осознанное решение, что буду заниматься только наукой и всем тем, что непосредственным образом с ней связано, но не более того.
Для коммерциализации разработок мы активно сотрудничаем с компанией, которая проявила интерес к нашей работе. И она будет продвигать наши разработки на рынок.
Мы уже получили первый коммерческий заказ от РОСНАНО на дизайн термоэлектрического материала. Термоэлектрика — это одна из тем, которой мы занимаемся, но это новая для нас тема. Для термоэлектриков потребуется чуть-чуть больше времени, чем для уже обычного нашего проекта. Скажем, для магнитов ситуация достаточно проста и благоприятна. У нас все есть, для того чтобы их предсказывать. Для термоэлектриков — почти все. Но это тоже решаемо и вполне нам под силу.
Есть еще одна разработка, которая коммерчески уже практически воплощена. В середине сентября 2014 года вышла наша статья в журнале Nature Communiсations. Это совместная работа с учеными из Университета Коннектикута, где сочетанием наших методов были предсказаны два новых полимерных материала с высокой диэлектрической постоянной. Такого рода материалы могут быть использованы для хранения электрической энергии в конденсаторах. И это очень важно для разного рода мобильных приложений. Эти два материала были предсказаны и впоследствии подтверждены экспериментально, как и их уникальные свойства. Так что эти материалы готовы для применения уже сейчас. Например, в конденсаторах для мобильных телефонов или других устройств, которые требуют быстрой подзарядки или быстрого разряда электричества. Например, вы идете в горы, и вам нужно что-то компактное, гнущееся, легкое, что хранит электроэнергию. Какие-то устройства для хранения электричества. Конденсаторы, основанные на органических диэлектриках, могут быть в этом смысле очень полезны. Вы можете их гнуть, вы можете по ним бить, они не будут давать трещин и т. д. И они лучше реагируют на диэлектрический пробой. То есть, когда происходит замыкание, электрический пробой, материал не разрушается в такой степени, в какой разрушается обычный керамический материал. Его проще использовать повторно.
