Основное научное направление работ Ватолина Н.А.:
Физическая химия металлургических процессов, в частности исследование структуры и свойств жидких металлических и оксидных систем и комплексное использование металлургического сырья.
Он проводил исследования структурно-чувствительных свойств жидких металлов и сплавов (1950-1965), электрических свойств и нестехиометричности оксидных расплавов, содержащих ионы переходных металлов (1965-1975). Под его руководством велись дифракционные исследования атомного строения и характера межатомного взаимодействия в металлических и оксидных расплавах (с 1970) на разработанном и освоенном оригинальном высокотемпературном дифрактометре.
С 1974 г. успешно проводятся работы по развитию методов определения потенциалов межатомного взаимодействия и расчета физико-химических свойств с применением статистического метода коррелятивных функций и квантово-механического псевдопотенциала. Метод молекулярной динамики применен для интерпретации топологии аморфной и жидкой структур и прогнозирования физико-химических свойств в различных условиях.
С конца 70-х годов под руководством Н.А.Ватолина в Институте металлургии развивается новое научное направление – компьютерное термодинамическое моделирование равновесных состояний многокомпонентных неорганических систем.
Ряд проводимых исследований направлен на изучение взаимодействия жидких и твердых фаз при кристаллизации расплавов на основе железа.
Разработки в области теории и практики комплексного использования минерального сырья Урала, утилизации отходов черной и цветной металлургии легли в основу рекомендаций для улучшения процесса извлечения ванадия из конвертерных шлаков на Чусовском металлургическом заводе и Нижнетагильском металлургическом комбинате и новой технологии получения высокочистого пентоксида ванадия из конвертерных шлаков.
Опубликовано в соавторстве с коллегами и учениками более 700 научных статей, 19 монографий, 120 авторских свидетельств и патентов. Под его руководством защищены 15 докторских и 30 кандидатских диссертаций.
Основные монографии Ватолина Н.А. с соавторами:
Окисление ванадиевых шлаков. М.Наука, 1978, 153 с.
Ванадиевые шлаки. М.Наука, 1988, 108 с.
Межчастичное взаимодействие в жидких металлах. М.Наука, 1979, 195 с.
Дифракционные исследования строения высокотемпературных расплавов. М.Наука, 1980, 190 с., Моделирование аморфных металлов. 1985. М.Наука, 288 с.
Термодинамическое моделирование в высокотемпературных неорганических системах. М.Металлургия, 1994, 352 с.
Пирометаллургическая переработка комплексных руд. М.Металлургия, 1997, 432 с.
Переработка вторичного свинцового сырья в ионных солевых расплавах. Екатеринбург, УрО РАН 2002, 200 с.Дифракционные исследования строения высокотемпературных расплавов. Екатеринбург УрО РАН, 2003, 355 с.
Системы жидкий щелочной металл – газовая фаза с учётом «малых» кластеров. УрО РАН, Екатеринбург, 2005, 183 с.
Расплавы как основа формирования структуры и свойств алюминиевых сплавов. Екатеринбург УрО РАН, 2005, 371 с..
Основные публикации Н.А.Ватолина с соавторами в журналах в последние годы:
1. Геометрия ближнего порядка в жидких, аморфных и наноразмерных фазах металлов. Расплавы, 2004, №5, с.6-24.
2. Новая высокотемпературная модификация пированадата меди. ДАН, 2005, т.400, №6, с.770-773.
3. Структура алюминиевых сплавов, содержащих железо, легированных марганцем из солевого расплава. ФММ, 2005, т.100, №6, с.81-90
4. Моделирование локальной структуры жидкого кобальта с помощью обратного метода Монте-Карло. Расплавы, 2006, №6, с.3-12.
5. Влияние температурно-временной и низкочастотной акустической обработок расплава на структурообразование в сплаве Al-5%Fe. Физика металлов и металловедение. 2006, т.102, №5 с.556-562.
6. Влияние вакуумирования расплавов Fe-C-O на микроликвацию компонентов. Расплавы, 2007, №1, с.14-20.
7. Компьютерный анализ химического взаимодействия компонентов при охлаждении и неравновесном затвердевании железо-углеродистых расплавов. Расплавы, 2007, №6, с.3-14.
8. Structure and thermodynamics of the one- and two-component square-well fluid. Journal of Non-Crystalline Solids, v.353, 2007, p.1798-1801.
9. The Wills-Harrison approach to the thermodynamics of binary liquid transition metal alloys. J. Phys.Condens.Matter, V.20, 114111 (5pp).
10. Structure factors of binary liquid metal alloys with in the square-well model. Cent. Eur. J. Phys., 2009, V.7, N 3,p.584-590.
11. Новая технология извлечения ванадия и марганца из металлургических шлаков. Бюллетень научно-технической и экономической информации. Черная металлургия. Черметинформация. 2009, вып.2 (1310) с.61-65.
12. Полуаналитаческое решение среднесферического приближения: применение к расчету структурных факторов жидких металлов в модели прямоугольной ямы. Доклады РАН, 2009 т.427, №5, с.620-623.
13. Исследования размерных эффектов, термостабильности нанокластеров d-металлов (Ni, Pd) и кремния на основе молекулярно-динамического моделирования. Перспективные материалы, 2009, №4, с.13-21.
14. Gibbs-Bogoliubov variational procedure with the square-well reference system. J.Non-Equilib. Thermodin., 2010, (35), p.289-300.
С 1984 по 2010 г.г. был председателем Совета ОХНМ РАН по Физико-химическим основам металлургических процессов. В настоящее время руководитель секции с этим же названием Совета по металлургии и металловедению. Под его руководством проведено 12 Всесоюзных и Российских конференций по структуре и свойствам металлических и шлаковых расплавов.
Ватолин Н.А. председатель Совета по защитам докторских диссертаций при Институте металлургии УрО РАН. Редактор журнала «Расплавы», член редколлегии журнала «Металлы».
Награжден орденами СССР (Ленина, Трудового Красного Знамени) и РФ (Почета). Лауреат Государственных премий СССР (1981 и 1991 г.г.), Государственной премии РФ (2000 г.), Премии Правительства РФ (1997 г.), Демидовской премии в области химии (1997), Президиумом РАН присуждены Золотая медаль им. Н.С. Курнакова (1997 г.) и Премия имени И.П.Бардина (2007 г.), Президиумом УрО РАН присуждена Золотая медаль им. С.В.Вонсовского (2005 г.). Почетный доктор Уральского государственного технического университета (г.Екатеринбург) и Национальной металлургической академии Украины (г. Днепропетровск). Заслуженный Соросовский профессор.

Ключевые слова
Физическая химия металлургических процессов