Университет науки о материалах в России: проблема и перспективы

Эпоха школьного просвещения, в котором дважды два всегда равно четырём, постепенно заканчивается (1). Связано это, среди прочего, с развитием науки о материалах, с её пристальным вниманием к происхождению и построению тела, находящегося в состоянии превращения. В этом случае дважды два не обязательно равно четырём из-за неарифметичности систем, построенных из объектов исчезающих и возникающих, взамен исчезнувших (2).

К сожалению, многие физики и химики пытались отбиться от этой проблемы, где-то более успешно, где-то менее успешно. Как следствие, появились страны с разной долей науки о материалах и междисциплинарной химии материалов в производстве знаний, например, предназначенных для создания и развития современных нанотехнологий. Рисунки 1 и 2 дают наглядное представление об этом. Рассматривая их, нетрудно заметить определённые аномалии в сфере применения науки о материалах для создания современных нанотехнологий, связанные с Ираном, Россией, Шотландией, Египтом и Беларусью, или аналогичные аномалии в сфере использования междисциплинарной химии, связанные с Ираном, Россией, Малайзией и Беларусью. Впрочем, ещё недавно в эту группу входила и Украина (рис. 1).

Понятно, что ситуацию с Шотландией можно объяснить многовековым английским рабством. Понятно, что Малайзия и Египет находятся в тисках многовековой отсталости. Хотя, Саудовская Аравия, будучи также одним из лидеров Исламского возрождения, почему-то обозначенным синдромом не страдает. Однако, вопрос как Россия и Беларусь оказались в одной компании с Ираном, наверное, требует особого рассмотрения. После старта Гагарина в космос, одной только колониальной зависимостью или многовековой отсталостью это объяснить трудно.

Рискнём предположить, что главной причиной такого положения дел стала армия дешёвых экспериментаторов в обозе советской физики. Этот резерв позволил с пренебрежением относиться к происхождению и построению тела, находящегося в реакционноспособном состоянии (3), а значит, и к развитию науки о материалах (4), давшей приют диссидентам, способным, как и Н.Н. Семёнов (5), обращать внимание и на генетику реакционноспособного состояния, и на кинетику химического превращения. Увы, советские химики оказались заточены, в основном, под стехиометрию и геометрию молекул.

Рис. 1. Доля категории Materials Science (верхняя кривая) и категории Chemistry Multidisciplinary (нижняя кривая) внутри категории Nanoscience and Nanotechnology для массива статей с приставками nano* или bionano* в заглавиях, рефератах и ключевых словах, включая NaNO2 и NaNO3. за 2007 – 2010 гг. в рамках Science Citation Index Expanded на Web of Science. Страны расположены в порядке убывания их вклада
Источник: http://технодоктрина.рф/

Рис. 2. Доля категории Materials Science (верхняя кривая) и категории Chemistry Multidisciplinary (нижняя кривая) внутри категории Nanoscience and Nanotechnology для массива статей с приставками nano* или bionano* в заглавиях, рефератах и ключевых словах, включая NaNO2 и NaNO3. за 2010 – 2013 гг. в рамках Science Citation Index Expanded на Web of Science. Страны расположены в порядке убывания их вклада.
Источник: http://технодоктрина.рф/

Рассматривая рис. 1 и 2, конечно, следует отметить, что такие результаты сложились не только из-за конкуренции со стороны физики и химии, а также в силу международной конкуренции. Отчасти, тому способствовало и отсутствие чётких границ у самой науки о материалах (6). Как следствие, многие российские исследователи воспринимали её через призму материаловедения. Такое положение сохранялось вплоть до начала XXI в. из-за того, что упомянутая выше неарифметичность превращений влечёт за собой возникновение тел, находящихся в состоянии дробной размерности, существование которых, на деле, оказалось тайной для XX века (7). Аппарат, необходимый для их осмысления, появился на страницах научных журналов только в XXI веке (8). За его отсутствием, материя в виде тел, находящихся в состоянии превращения, исчезала, оставались лишь дискуссии о природе их самоорганизации (9). Лебег выразился по этому поводу лаконичнее: «физика разрушает понятие тело» (10). Разумеется, речь не шла о палочках, плиточках и шариках. Камнем преткновения были именно тела, находящиеся в состоянии превращения (11), в том числе их элементарные паттерны (12).

Для разрешения описанных выше фундаментальных противоречий можно, конечно, взять и организовать геноцид, об этой угрозе писал академик Ю.Д. Третьяков в комментарии к статье (13). Другой вариант заключается в том, чтобы создать конкурентно-способное дополнение к уже существующей системе с расчётом на дельнейшее сосуществование и даже кооперацию. Этим путём, уже много лет назад, пошло руководство США, когда поручило DARPA создать сеть междисциплинарных исследовательских лабораторий, внутри которых нашли себе рабочее место и диссиденты, считавшие, что генетика подчиняется кинетике не всегда. Одновременно, был создан и первый факультет науки о материалах при Массачусетском технологическом институте. Он предназначался, среди прочего, для подготовки молодых учёных под эти лаборатории. В России, идея такой конкуренции получила лишь своё нелегальное воплощение, благодаря Высшему колледжу наук о материалах (но не науки о материалах), созданного в МГУ им. М.В. Ломоносова (14), с ежегодным выпуском 15–20 человек, по большей части, для работы в США. В пределах Российской Федерации они были, фактически, не нужны, за отсутствием соответствующих исследовательских лабораторий. Ситуация эта сохраняется и по нынешние времена. Министр образования РФ допустил в 2001 г. легализацию специальности «Физика, химия, механика материалов», а также создание факультета наук о материалах, но не науки о материалах. Сегодня она называется «Химия, физика, механика материалов», но, как и раньше, защита кандидатских и докторских диссертаций по ней в России не предусмотрена. В итоге, нынешнее российское производство знаний в сфере нанотехнологий чем-то похоже на ситуацию в Иране, Шотландии, Румынии, Малайзии, если иметь в виду долю в нём междисциплинарной науки о материалах и междисциплинарной химии материалов. Фактически, Россия не воспринимает, или не хочет воспринимать сдвиг, представленный на рис. 3.

К сожалению, для исправления описанных выше фундаментальных особенностей российского образования сегодня уже недостаточно действий, направленных на создание конкурентоспособного дополнения к его уже существующей системе с расчётом на их дельнейшее сосуществование и даже кооперацию. Разрозненные элементы, возникающие в результате «творческих бифуркаций» и быстро гаснущие, как правило, за отсутствием подходящей среды для их воспроизводства и применения на практике – это всё, что может предложить Россия на своей территории в области науки о материалах. Чтобы решить эту ключевую проблему российского научно-технического и технологического развития, на наш взгляд, необходимо предпринять меры, которые представлены ниже.

Рис. 3. Отраслевая структура Nanoscience & Nanotechnology по Web of Science Categories для массива статей с приставками nano* или bionano* в заглавиях, рефератах и ключевых словах, включая NaNO2 и NaNO3. Раскраска снизу вверх (по 2013 г.): (1) Materials Science Multidisciplinary; (2) Chemistry Multidisciplinary; (3) Chemistry Physical; (4) Physics Applied; (5) Physics Condensed Matter; (6) Engineering Electrical and Electronic; (7) Engineering Multidisciplinary; (8) Прочее.
Источник: http://технодоктрина.рф/

(1) Создание Фонда науки о материалах.

Внутри Российского научного фонда (РНФ) и Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ) наука о материалах как система знаний о происхождении тел и их превращениях, с её геометрическими экспериментами и геометрическими открытиями, была, есть и останется неприемлемой.

(2) Создание университетов науки о материалах.

Хотя бы одного, для начала. Вполне возможно – международного.

(3) Создание колледжей для переподготовки и подготовки школьных учителей по учебному предмету «наука о материалах».

Фактически, это геометрия толерантности для школьников – содержание и форма контракта между реакционной способностью и кинетикой.

(4) Создание учебных классов науки о материалах.

Прежде всего, в лицеях и, возможно, в кадетских корпусах.

(5) Создание исследовательских центров науки о материалах.

Возможно, под эгидой Фонда науки о материалах.

Ключевым элементом среди этих пяти позиций является четвёртый, подразумевающий реформу нынешней системы российского просвещения, которое постепенно утрачивает присущую ему с советских времен естественнонаучную направленность (15). Преподавание основ науки о материалах в средней школе, включая её фрактальную геометрию, физику, химию и социологию, позволило бы не просто остановить нынешнюю деградацию школьного просвещения, но и создать современную платформу для технологического развития России. Правда, для этого может понадобиться содействие Координационного совета по делам молодёжи в научной и образовательной сферах при Совете при Президенте РФ по науке и образованию, а также Совета Военно-промышленной комиссии по развитию кадрового потенциала ОПК.

Авторы

Ключарев В.В.
Источник: http://технодоктрина.рф/

Ключарев В.В., ст. науч. сотр. Инсттут проблем химической физики РАН г. Черноголовка

Ключарева С.В.
Источник: http://технодоктрина.рф/

Ключарева С.В., инженер Институт проблем химической физики Р г. Черноголовка

Список литературы:

1. Karakuş F. A cross-age study of students understanding of fractals // Bolema. – Rio Claro (SP), 2013.– Vol. 27, №. 47. – P. 929-846 (Bolema – Boletim de Educação Matemática).
2. Лебег А. Об измерении величин. – М.: КомКнига, 2005. – С. 21; Ключарев В.В. Фрактальные образы химических превращений // Доклады академии наук. – М., 2003. – Т. 390, № 3. – С. 355-358; Ключарев В.В. Классическая геометрия вещества в состоянии дробной размерности // Физика и химия стекла. 2008. – Т. 34, № 6. – С. 866–874.
3. Ключарев В.В. Размерности становления самораспространяющихся химических процессов // Доклады академии наук. – М., 2006. – Т. 410, № 3. – С. 347 – 353.
4. Wax S.G., Fischer G.M., Sands R.R. The past, present, and future of DARPA’s investment strategy in smart materials // Journal of the Minerals Metals and Materials Society. 2003. – Vol. 55, N 12. – P. 17 – 23.
5. Семенов Н.Н. О некоторых проблемах химической кинетики и реакционной способности. – М.: Изд-во АН СССР, 1958.
6. Hill J, Verma R.K., Kumar D.D. Challenges for chemical education: traversing the chemical science / materials science interface // Journal of Materials Education. 2013. – Vol. 35, № 1–2. – P. 1 – 16.
7. Shenker O.R. Fractal geometry is not the geometry of nature // Studies in History and Philosophy of Science. Ser. A. 1994. – Vol. 25, N 6. – P. 967-981; Rouvray D.H. The geometry of nature // Endeavor. 1996. – Vol. 20, № 2. – P. 79-85; Avnir D., Biham O., Lidar D., Malcai O. Is the geometry of nature fractal? // Science. 1998. Vol. 279, № 5347. – P. 39–40; Jelinek H.F., Jones C.L., Warfel M.D., Lucas C., Depardieu C., Aurel G. Understanding fractal analysis? The case of fractal linguistics // Complexus. 2006. – Vol. 3, № 1–3. – P. 66–73.
8. Ключарев В.В. Фрактальные образы химических превращений // Доклады академии наук. – М., 2003. – Т. 390, № 3. – С. 355 – 358; Ключарев В.В. Размерности становления самораспространяющихся химических процессов // Доклады академии наук. – М., 2006. – Т. 410, № 3. – С. 347–353; Ключарев В.В. Классическая геометрия вещества в состоянии дробной размерности // Физика и химия стекла. 2008. – Т. 34, № 6. – С. 866–874; Ключарев В.В. Становление случайной плотной упаковки // Физика и химия стекла. 2010. – Т. 36, № 4. – С. 576–584.
9. Stávek J, Šípek M. Interpretation of periodic precipitation pattern formation by the concept of quantum mechanics // Crystal Research and Technology. 1995. Vol. 30, № 8. – P. 1033-1049; Stávek J, Šípek M, Šesták J. The application of the principle of least action to some self-organized chemical reactions // Thermochimica Acta. 2002. – Vol. 388, № 1–2. – P. 441–450; Скоробогатов Г.А., Каменский А.В. Механизм пространственных периодических реакций // Вестник Санкт-Петербургского университета. Сер. 4. 2006. – № 1. – С. 55–5; Lucia U. Maximum or minimum entropy generation for open systems? // Physica A. 2012. Vol. 391, № 12. – P. 3392-3398; Adams S., Dirr N., Peletier M., Zimmer J. Large deviations and gradient flows // Philosophical Transactions of the Royal Society. Ser. A. 2013. - Vol. 371, № 2005. Article 20120341; Verhás J. Gyarmati’s variational principle of dissipative processes // Entropy. 2014. – Vol. 16, № 4. – P. 2362–2383; Fischer F.D., Svoboda J., Petryk H. Thermodynamic extremal principles for irreversible processes in materials science // Acta Materialia. 2014. – Vol. 67. – P. 1–20; Reis A.H. Use and validity of principles of extremum of entropy production in the study of complex systems // Annals of Physics. 2014. – Bd. 346. – P. 22–27; Bensah Y.D., Sekhar J.A. Morphological assessment with maximum entropy production rate (MEPR) postulate // Current Opinion in Chemical Engineering. 2014. – Vol. 3. –P. 91–98.
10. Лебег А. Об измерении величин. – М.: КомКнига, 2005.
11. Koga N., Tanaka H. The physico-geometric approach to the kinetics of solid-state reactions as exemplified by the thermal dehydration and decomposition of inorganic solids // Thermochimica Acta. 2002. – Vol. 388, № 1–2. – P. 41–61; Kimura T., Koga N. Thermal dehydration of monohydrocalcite: Overall kinetics and physico-geometrical mechanisms // Journal of Physical Chemistry A. 2011. – Vol. 115, № 38. – P. 10491–10501; Wada T., Koga N. Kinetics and mechanism of the thermal decomposition of sodium percarbonate: Role of the surface product layer // Journal of Physical Chemistry A. 2013. – Vol. 117, № 9. – P. 1880–1889.
12. Zaikin A.N., Zhabotinsky A.M. Concentration wave propagation in two-dimensional liquid-phase self-oscillating system // Nature. 1970. – Vol. 225, №. 5232. – P. 535–537; Castets V., Dulos E., Boissonade J., de Kepper P. Experimental evidence of a sustained standing Turing-type nonequilibrium chemical patterns // Physical Review Letters. 1990. – Vol. 64, № 24. – P. 2953–2956; Winfree A.T., Strogatz S.H. Organizing centres for three-dimensional chemical waves // Nature. 1984. – Vol. 311, № 5987. – P. 611–615; Winfree A.T., Caudle S., Chen G., McGuire P., Szilagyi Z. Quantitative optical tomography of chemical waves and their organizing centers // Chaos. 1996. – Vol. 6, № 4. – P. 617–626; Pertsov A., Vinson M., Müller S.C. Three-dimensional reconstruction of organizing centers in excitable chemical media // Physica D. 1993. – Vol. 63, № 1–2. – P. 233–240; Konotop I.Y., Nasimova I.R., Rambidi N.G., Khokhlov A.R. Chemomechanical oscillations in polymer gels: Effect of the size of samples // Polymer Science B. 2011. – Vol. 53, № 1–2. – P. 26–30; Guo D.M., Li Y.F., Zheng B. A microreactor and imaging platform for studying chemical oscillators // Jourmal of Physical Chemistry A. 2013. – Vol. 117, № 30. –P. 6402–6408; Zhou H.W., Ding X.B., Zheng Z.H., Peng Y.X. Self-regulated intelligent systems: where adaptive entities meet chemical oscillators // Soft Matter. 2013. – Vol. 9, № 20. – P. 4956–4968; Yoshida R., Ueki T. Evolution of self-oscillating polymer gels as autonomous polymer systems // NPG Asia Materials. 2014. – Vol. 6, № 6. – P. 107; Bánsági T., Vanag V.K., Epstein I.R. Tomography of reaction-diffusion microemulsions reveals three-dimensional Turing patterns // Science. 2011. – Vol. 331, № 6022. – P. 1309–1312; Epstein I.R. Coupled chemical oscillators and emergent system properties // Chemical Communications. 2014. – Vol. 50, № 74. – P. 10758-10767.
13. Ключарев В., Архангельский И. Материаловедение в классическом университете // Высшее образование в России. – М., 2002. – № 2. – С. 43–47.
14. Олейников Н.Н. Система подготовки специалистов-материаловедов в Высшем колледже наук о материалах Московского государственного университета // Фундаментальные исследования новых материалов и процессов в веществе / Ред. кол. А.Н. Тихонов, В.А. Садовничий и др. – М.: Изд-во Московского университета,1994. – С. 43–57.
15. Ключарева С.В., Ключарев В.В. Конкурс лучших российских учителей в рамках Национального проекта «Образование»: от 2006 – 2009 до 2010 – 2013 // Россия: тенденции и перспективы развития. Ежегодник. Вып. 9. Ч. 2. / Отв. ред. Ю.С. Пивоваров. – М.: ИНИОН РАН, 2014. – С. 377–382.