Игорь Степанович ЯКИМОВ — доктор физ.-мат. наук, профессор кафедры композиционных материалов и физико-химии металлургических процессов Института цветных металлов СФУ. Коренной красноярец, известный специалист в области рентгеноструктурного анализа поликристаллов, сегодня он руководит проектами, имеющими приоритетное значение для успешного научно-технологического развития России.

Сила эмоций

Игорь Степанович окончил математический факультет КГУ в начале 1970-х. Отличником не был. Вспоминает, как однажды сдавал философию, и преподаватель обвинил его в оппортунизме, ревизионизме, других «грехах» и влепил тройку. С математикой таких проблем не возникало, более того, Якимов видел её творческий потенциал в различных науках. Например, тема одной из его курсовых работ — «Математическая теория эмоций».

— Тогда в КГУ работал молодой учёный, исследовавший первые формальные модели нейронных сетей на основе персептронов. По его заданию я попробовал сделать упрощённое описание нейросетевой модели эмоций. Оказалось, что сила эмоций пропорциональна потребности в них и обратно пропорциональна имеющейся информации.

Свой научный интерес к творчеству Игорь Степанович удачно реализует на протяжении всей жизни. Смеясь, рассказывает, как однажды «претендовал даже на Нобелевскую премию».

— После сообщения в 1989 году об открытии химиками Флейшманом и Понсом явления ядерного синтеза при электролизе тяжёлой воды на палладиевом электроде разразился бум по изучению холодного термоядерного синтеза. Тому, кто первым реализует технологию такого синтеза, светила Нобелевская премия.

Я тогда занимался изучением свойств оксалата палладия. Когда через материал в закрытой ячейке пропускают водород, оксалат разлагается на газы и гидрид палладия. При этом гидрид палладия распадается на мелкодисперсный палладий, из которого вновь образуется гидрид и т.д., так что этот процесс становится непрерывным. Я подумал, что если вместо водорода использовать дейтерий, то этот процесс также может обеспечить непрерывный процесс холодного термоядерного синтеза. Подумал и поставил счётчик нейтронов. А когда увидел горение образца и мощные кратковременные всплески на самописце и посчитал их энергию, подумал: «До Нобелевки могу не дожить». Позже выяснилось: никакого облучения не случилось, а полученные эффекты, как в моём опыте, так и в опытах Флейшмана — Понса, были вызваны другими процессами. Но тогда я этого не знал и какое-то время находился в состоянии эйфории.

Первые успехи

После матфака Игорь Якимов работал инженером-программистом в СКБ, начальником отдела ЭВМ в управлении статистики. Быстро понял, что это не его. Устроился в Политехнический институт на кафедру вычислительной техники. Но эксплуатация готовых программ и «железо» совершенно не интересовали. Потому и перешёл в Цветмет: там открывались заманчивые перспективы для занятия наукой.

— В то время Норильский комбинат закупил для институтской лаборатории самое современное оборудование: рентгеновские дифрактометры (прибор для анализа фазового состава и структуры материалов), электронные микроскопы и электронно-вычислительную машину М6000, — вспоминает профессор. — Задача: автоматизировать приборы с помощью ЭВМ. Тогда мало кто умел это программировать. И хотя я изучал в университете не только математику, но и физику, пришлось заняться самообразованием: ездил консультироваться в Институт физики СО РАН, посещал различные профильные конференции. В итоге написал программное обеспечение, и Цветмет стал первым вузом в Союзе, имеющим автоматизированный дифрактометр!

Ещё одним успехом Якимова стала разработка крупной программы — информационно-поисковой системы рентгенофазового анализа (ИПС РФА). На тот момент Соединённые Штаты уже располагали базой данных, где были записаны эталонные дифракционные спектры кристаллических фаз различных материалов, в том числе минералов. В России несколько центров тоже этим занимались.

В конце 1980-х профессору удалось разработать эффективную программу, позволявшую определять вещественный фазовый состав материалов. Его поисковая система была построена на новых принципах. Игорь Степанович использовал теорию исчисления предикатов из раздела математической логики, что позволяло делать точный и быстрый анализ любых многофазных материалов — различных руд, продуктов их переработки, керамик, сплавов и т.п.

Программный продукт Якимова выполнялся для Ачинского глинозёмного комбината. Выгода заказчика понятна. Предприятие работает тем эффективнее, чем точнее представляет, что именно перерабатывает. И чем быстрее происходит анализ образцов материалов, тем лучше технологи могут подобрать параметры процесса переработки. А это ведёт к улучшению экономических показателей предприятия: меньше потребление энергии, больше выход продукта, меньше отходов и т.п.

Проснуться знаменитым

В 1998 году учёный побывал на стажировке в университетах двух городов Германии — Байройте и Бонне. Сибиряка тогда поразило, что профильного оборудования на одной кафедре там было в несколько раз больше, чем во всём Цветмете.

А в 2001 году Якимов принял участие в международном Round-robin (межлабораторный тест в сети Интернет), используя свою программу ИПС РФА.

— В интернете были выставлены рентгенограммы четырёх неизвестных многофазных материалов, и учёные должны были определить их состав, — рассказывает Игорь Степанович.

Улучшал свою программу учёный на протяжении ряда лет, сейчас уже шестая версия. Авторское право зарегистрировано.

Новый поворот

Аналитическое обслуживание науки всего ИЦМ — одна из основных задач лаборатории. В 2002 году она вошла в состав вновь образованной кафедры композиционных материалов и физико-химии металлургических процессов. С тех пор помимо науки Игорь Степанович занялся учебным процессом, а потом представил докторскую диссертацию по разработке программно-методического обеспечения дифракционных методов анализа.

— Докторскую защищал в Институте неорганической химии в Новосибирском Академгородке. Консультантом был профессор кафедры физической химии ИЦМ СФУ Сергей Дмитриевич КИРИК. Мы с ним занимались не только разработками программ, но и их внедрением. Помню первое большое внедрение на Красноярском алюминиевом заводе в середине 1990-х — автоматическая программа контроля состава электролита алюминиевых электролизёров. Довольно много договоров у нас было затем и с другими алюминиевыми заводами по всей стране.

Кристаллы под рентгеном

В 2009 году у коллектива получилось (с большим отрывом от других, опередив даже ведущие университеты и институты РАН) выиграть два серьёзных гранта по Федеральной целевой программе. Успех пришёл потому, что красноярцы одними из первых начали применять искусственный интеллект, используя при этом эволюционные генетические алгоритмы. По аналогии с генетикой, изучающей скрещивания, мутации генов, они стали моделировать и определять кристаллическую структуру материалов, включая координаты атомов и другие параметры. Позже начали применять и искусственные нейронные сети. Оказалось, они могут автоматически определять кристаллическую симметрию материалов с вероятностью более 90%.

— Материалы бывают монокристаллические, поликристаллические и нанокристаллические. Первое — это, например, драгоценные камни, которые имеют одинаковую ориентацию атомных слоёв во всём объёме. Но большинство материалов поликристаллические, они состоят из маленьких кристаллитов, размером порядка 10 микрон и менее, — поясняет Якимов. — Конечно, рентгенограмма монокристалла более информативна. Но, во-первых, вырастить совершенные кристаллы без примесей проблематично. Во-вторых, многие материалы на самом деле многофазные, из них вообще монокристаллы вырастить нельзя. Именно поэтому для анализа поли- и нанокристаллов используются различные варианты дифракционного метода поликристаллов, и этим перспективным направлением мы занимаемся.

Кроме того, лаборатория изучает материальные фазовые превращения, которые регистрируются на синхротронах в реальном времени.

— Синхротрон — огромная установка диаметром от 100 до 300 метров. По кольцу бегают электроны и генерируют мощное рентгеновское излучение. Оно такой силы, что способно регистрировать рентгенограммы за миллисекунду. И можно изучать механизм фазовых превращений — то, как получаются те или иные материалы в зависимости от условий во времени. Это большая наука!

В настоящее время И.С. Якимов курирует крупный проект, не имеющий прямых аналогов в мире. Речь о новом программно-методическом обеспечении для комплексного дифракционного анализа фазового состава и структуры поликристаллических и нанокристаллических материалов. Идея состоит в создании на основе ИИ и дифракционных методов такой системы, которая автоматически учитывает различные факторы, разрешает возникающие в ходе анализа противоречия и выдаёт наиболее вероятный результат.

Прикладное значение

В 2022 году коллектив лаборатории сделал программу для автоматизированного рентгенодифракционного контроля руд Олимпиадинского месторождения золота. Руды там действительно сложные — встречается в среднем по 15 минералов. Заказчики остались довольны продуктом. С помощью этой программы уже выполнено около 50 тысяч анализов. А в 2023 году также для АО «Полюс» разработана аналогичная автоматизированная система производственного контроля концентратов, получаемых из этих руд. На очереди другие крупные горно-обогатительные комбинаты.

Сегодня у лаборатории большие перспективы. Заключён договор о научно-техническом сотрудничестве с одним из четырёх центров синхротронного излучения в России — ЦКП «СКИФ» СО РАН.

— Уже выполнили один хоздоговор с академическим институтом: разработали систему для автоматизированного анализа по данным синхротронного излучения фазового состава в слоях при напылении многослойных покрытий. В 2024 году, если получится, будем развивать эту тему, — делится планами Игорь Степанович.

Команда и личное

В небольшом кабинете, где на планёрку собрался дружный коллектив лаборатории, витает бодрящий аромат свежемолотого кофе. Шесть человек, два поколения. Все писали дипломные работы у Игоря Степановича. «Сложно найти наставника более лояльного и дающего такие глубокие знания», — отзывается о профессоре его ученица и коллега, к.т.н. Оксана БЕЗРУКОВА.

Профессору перевалило за семьдесят. Сейчас лабораторией заведует его ученик, кандидат технических наук Пётр ДУБИНИН, а Игорь Степанович является внештатным научным руководителем.

Материаловедческое направление сегодня востребовано. Заказов так много, что от некоторых предложений коллективу приходится отказываться, хотя они представляют не только финансовый, но и научный интерес. Трое сотрудников лаборатории уже защитили кандидатские диссертации под руководством Якимова, один готовит к защите докторскую.

Игорь Степанович любит фантастику: классику Азимова, Кларка, Стругацких и ряд современных, например, Лукьяненко, Егора Чекрыгина, известного своим ироническим циклом о попаданцах. Увлечён историей, начиная с древних цивилизаций, и философией науки. Пришёл к выводу, что возникновение разума основано на закономерной эволюции биологических нейронных сетей. Он до сих пор в свободное время регулярно катается на велосипеде. А по молодости писал стихи. Часть из них опубликована в институтском сборнике. В тех строках нет места науке, зато есть юмор, любовь, нежность и светлая грусть.