От виртуальных моделей к реальным материалам

В мире, где высокие технологии определяют будущее, российские ученые продолжают занимать передовые позиции, совершая открытия и разрабатывая инновационные решения. Сегодня мы беседуем с одной из таких исследовательниц — Анастасией Ульянкиной, кандидатом химических наук и научным сотрудником Омского государственного технического университета (ОмГТУ).

Анастасия — обладательница престижных наград. Среди них — стипендия Остроградского от посольства Франции, стипендия от Польского национального агентства академических обменов и грант Российского фонда фундаментальных исследований. Анастасия специализируется на вычислительной химии и использует передовые методы компьютерного моделирования для создания новых материалов с уникальными свойствами.

«СП»: Анастасия, ваш путь в науку начался довольно рано. Что повлияло на ваш выбор?

— Знаете, сложно сказать однозначно. Скорее всего, это сочетание врожденного любопытства и удачного стечения обстоятельств. С детства меня притягивало все неизведанное, хотелось разобраться, как устроены вещи, почему происходят те или иные явления. В школе мне всегда легко давались химия и физика, но я воспринимала их скорее как занимательную головоломку, чем как будущую профессию.

Переломный момент наступил в старших классах, когда я начала участвовать в олимпиадах по химии. Мне нравилось решать нестандартные задачи, искать нетривиальные подходы, чувствовать, что я могу найти ответ там, где другие затрудняются. Именно тогда я поняла, что химия — это не просто сухой набор формул и определений, а целый мир, полный загадок и удивительных открытий.

Поэтому, когда пришло время выбирать вуз, сомнений практически не было — только ОмГТУ и только «Химическая технология». Я верила, что там смогу получить фундаментальные знания и присоединиться к миру науки.

«СП»: Но вы не пошли по стопам своих одногруппников, которые выбрали работу на предприятиях?

— Да, многие мои одногруппники стремились поскорее окунуться в мир производства, начать применять полученные знания на практике. И поначалу я тоже думала, что пойду по этому пути. Но на последних курсах бакалавриата, когда пришло время выбирать тему дипломного проекта, я поняла, что меня влечет нечто иное. Мне хотелось не просто применять готовые технологии, а создавать что-то принципиально новое. Именно это стремление вдохновило меня на поступление в магистратуру и дальнейшие исследования.

«СП»: Расскажите подробнее о вычислительной химии. В чем заключается суть вашей работы?

— Если говорить простыми словами, то мы строим виртуальные модели материалов на атомном уровне, используя для этого законы физики и мощные компьютеры. Мы можем «увидеть», как атомы и молекулы взаимодействуют друг с другом, как они организованы в пространстве. Меняя различные параметры, мы можем прогнозировать свойства материалов и даже «создавать» новые, еще не существующие в природе.

«СП»: Вы говорите о «создании» новых материалов. Но ведь это происходит только в компьютере?

— На первом этапе — да. Но результаты моделирования помогают экспериментаторам в лабораториях целенаправленно синтезировать новые материалы с заданными свойствами. Таким образом, мы работаем в тесной связке, дополняя друг друга.

«СП»: Одним из самых важных в вашей карьере стал проект, выполненный в рамках гранта Российского фонда фундаментальных исследований, где вы занимались моделированием самосборки металлорганических структур. Расскажите о значимости данного проекта для вас.

— Этот грант, полученный мной в 2020 году по результатам победы в конкурсе на лучшие проекты молодых ученых, стал для меня очень важной вехой. Он дал возможность полностью сконцентрироваться на исследовании самосборки металлорганических структур, не отвлекаясь на поиск финансирования. Полученные результаты легли в основу моей кандидатской диссертации и были опубликованы в ведущих научных журналах. Но не менее ценным оказался и сам опыт управления проектом: планирование исследований, анализ результатов, подготовка отчетов

«СП»: Вы упомянули о металлорганических структурах. Расскажите о них подробнее. В чем их уникальность?

— Металлорганические структуры представляют собой своеобразные «конструкторы» из ионов металлов и органических молекул. Варьируя тип металла и строение органической части, можно получать огромное разнообразие материалов с заранее заданными свойствами. Это открывает широкие возможности для их применения в катализе, электронике, оптике, сенсорике и даже медицине.

«СП»: Ваши исследования имеют не только теоретическую, но и практическую значимость?

— Это действительно так. Например, моделируя поверхностные металлорганические структуры, мы можем предсказать их каталитические свойства, то есть способность ускорять химические реакции. Это очень важно для разработки новых, более эффективных и экологически чистых катализаторов, которые используются в производстве топлива, пластмасс, лекарств и многих других вещей. Другой пример — разработка новых материалов для солнечных батарей, способных эффективно преобразовывать солнечную энергию в электрическую.

«СП»: Ваши исследования находят применение и в нефтегазовой отрасли? В 2018 году вы были отмечены дипломом на престижной Международной научно-практической конференции «Техника и технология нефтехимического и нефтегазового производства» (Oil and Gas Engineering). Какие именно аспекты вашей работы могут быть востребованы в этой сфере?

— Да, безусловно! Нефтегазовая отрасль — та сфера, где мои исследования могут найти применение в самых разных направлениях. Например, разработка новых катализаторов, в роли которых могут выступать металлорганические слои, важна для нефтепереработки и нефтехимии. Более эффективные катализаторы позволят сделать процессы переработки нефти и газа более экологичными и экономичными. Кроме того, моделирование адсорбционных процессов может быть полезно, например, при разработке новых методов очистки углеводородов или создании более эффективных материалов для хранения и транспортировки нефти и газа. Именно эти аспекты моей работы представлялись на ежегодной конференции «Техника и технология нефтехимического и нефтегазового производства» с 2017 года, и я рада, что они вызвали интерес у специалистов отрасли.

«СП»: В этом году на конференции Oil and Gas Engineering-2024 Ваша работа значительно отличалась от исследований прошлых лет и была посвящена применению квантовых расчетов для определения механизма протекания химических реакций. Ранее в отношении подобного типа соединений таких расчетов не проводилось. Расскажите о значимости данной работы для индустрии?

— Действительно, в этом году мои исследования были направлены на развитие методологии применения методов квантовой химии для анализа процесса протекания формирования ароматических структур при действии УФ-света, а также предсказания результатов подобных превращений. Благодаря полученным данным можно подбирать оптимальные условия проведения химических процессов, определять возможные пути улучшения выхода целевого продукта за счет модификации исходных реагентов.

Применение подобного подхода, как этапа получения функциональных химических веществ, позволяет значительно повысить эффективность химического синтеза, уменьшая необходимость в трудоемких экспериментальных исследованиях, что было высоко оценено экспертами-практиками, участвующими в конференции на секции «Тонкий органический синтез».

«СП»: Вы также упомянули о стажировке во Франции. Расскажите об этом подробнее.

— Да, в 2022 году я выиграла стипендию Остроградского, которая предоставляется французским правительством для поддержки молодых ученых. Благодаря этой стипендии я смогла пройти двухмесячную стажировку в лаборатории теоретической химии Университета Сорбонна в Париже. Это был бесценный опыт работы в одном из ведущих научных центров мира. Вместе с французскими коллегами мы проводили исследования в области моделирования электронных свойств новых материалов. Результаты этой работы были опубликованы в престижном научном журнале «Catalysis Today».

«СП»: На данный момент вы продолжаете работать в ОмГТУ и, насколько нам известно, участвуете в новом проекте, поддержанном Российским научным фондом, в рамках которого занимаетесь адаптацией и развитием метода ренормализации тензорных сетей для моделирования адсорбционных систем. Расскажите, пожалуйста, подробнее об этом проекте.

— Да, совершенно верно. Сейчас мы работаем над его реализацией. Это довольно сложный с математической точки зрения метод, но в то же время очень перспективный и мощный. Он позволяет нам решать задачи, которые были недоступны для других методов, и получать более точные результаты. Мы уже достигли определенных успехов в этом направлении, наши работы публикуются в высокорейтинговых журналах, и мы надеемся, что наши исследования внесут значительный вклад в развитие вычислительной химии и материаловедения.

«СП»: Вы являетесь обладательницей ряда авторитетных наград. В частности, в 2019 году вы получили награду IUVSTA — Elsevier Student Award на крупнейшем 21-м Международном Вакуумном Конгрессе (International Vacuum Congress). Что для вас значит эта награда?

— Эта награда стала для меня большим событием. International Vacuum Congress — это международная конференция, посвященная технологиям и исследованиям в области вакуумной науки и техники. Получить там признание своей работы было очень почетно. Это подтвердило, что мои исследования актуальны и представляют интерес для международного научного сообщества.

«СП»: В том же 2019 году вы получили диплом за лучший доклад на IX Международной молодежной научно-практической конференции «Прикладная математика и фундаментальная информатика». Расскажите об этой конференции и о работе, которая была отмечена наградой.

— На этой конференции я представляла доклад о разработке программного комплекса SuSMoST для моделирования физико-химических процессов на поверхности. Это был один из первых шагов в продвижении нашего программного продукта, и получить такую высокую оценку было очень важно для всей нашей команды. Это еще раз подтвердило, что мы создаем действительно востребованный и полезный инструмент для ученых, занимающихся моделированием адсорбционных процессов.

«СП»: Расскажите об инновационном программном комплексе SuSMoST.

— В рамках грантового проекта Российского научного фонда наша научная группа разработала уникальный программный комплекс SuSMoST (Surface Science Modeling and Simulation Toolkit) для моделирования физико-химических процессов на поверхности твердых тел. SuSMoST позволяет ученым по всему миру исследовать адсорбционные процессы, фазовые переходы, самосборку молекул на поверхности и многие другие явления. Это мощный инструмент для прогнозирования свойств новых материалов и оптимизации их для конкретных технологических задач.

«СП»: Анастасия, вы — молодой ученый, но уже добились значительных результатов. Каковы ваши планы на будущее?

— Я хотела бы продолжить заниматься наукой, развиваться в области компьютерного моделирования материалов. Мне интересно решать сложные задачи, искать новые подходы и методы. Моя цель — совершать новые открытия, которые помогут нам лучше понять мир и создать новые технологии на благо человечества.

«СП»: За время работы в ОмГТУ вы выпустили немало талантливых студентов. Что бы вы могли посоветовать тем, кто только начинает свой путь в науке?

— Прежде всего, важно найти ту область знаний, которая действительно увлекает и вдохновляет. Наука требует упорства, терпения и преданности своему делу. Не бойтесь экспериментировать, задавать вопросы, искать новые пути решения задач. И, конечно же, окружайте себя талантливыми и вдохновляющими людьми, которые будут поддерживать вас на этом пути.

28 марта 2024 года