Артем Оганов. Компютърен дизайн на нови материали: мечта или реалност? Компютърно проектиране на нови материали Откриване на нови материали с помощта на компютърен дизайн

1. 1. Компютърно проектиране на нови материали: мечта или реалност? Артем Оганов (ARO) (1) Катедра по геонауки (2) Катедра по физика и астрономия (3) Нюйоркски център за изчислителни науки Държавен университет в Ню Йорк, Стоуни Брук, NY 11794-2100 (4) Московски държавен университет, Москва, 119992, Русия.
2. 2. Структурата на материята: атоми, молекули Древните са предполагали, че материята се състои от частици: „когато Той (Бог) не е създал земята, нито полетата, нито първоначалните прахови частици на вселената” (Притчи, 8:26). ) (също - Епикур, Лукреций Кар , древни индианци, ...) През 1611 г. И. Кеплер предполага, че структурата на леда, формата на снежинките, се определя от тяхната атомна структура
3. 3. Структурата на материята: атоми, молекули, кристали 1669 г. - раждането на кристалографията: Николай Стенон формулира първия количествен закон на кристалографията вътре в себе си. Тя дава на ума известно ограничено удовлетворение, а детайлите му са толкова разнообразни, че може да се нарече неизчерпаем; ето защо тя ласо дори най-добрите хора толкова упорито и толкова дълго време ”(J.W. Гьоте, любител кристалограф, 1749-1832) Лудвиг Болцман (1844-1906) е велик австрийски физик, който изгради всичките си теории върху идеите за атомите . Критиката на атомизма го довежда до самоубийство през 1906 г. През 1912 г. хипотезата за атомната структура на материята е доказана от експериментите на Макс фон Лауе.
4. 4. Структурата е основата за разбиране на свойствата и поведението на материалите (от http://nobelprize.org) Zinc blende ZnS. Една от първите структури, решени от Брагс през 1913 г. Изненада: в структурата НЯМА ZnS молекули!
5. 5. Рентгеновата дифракция е основният метод за експериментално определяне на кристалната структура Структура Дифракционна картина
6. 6. Връзка между структурата и дифракционната картина Каква ще бъде дифракционната картина на тези "структури"?
7. 7. Триумфи на експеримента - определяне на невероятно сложни кристални структури Несъизмерими фази Квазикристали на елементи Протеини (Rb-IV, U.Schwarz'99) Ново състояние на материята, открито през 1982 г. Открито в природата едва през 2009 г.! Нобелова награда за 2011 г.!
8. 8. Състояния на материята Кристална Квазикристална Аморфна Течна Газообразна („Мека материя” – полимери, течни кристали)
9. 9. Атомната структура е най-важната характеристика на материята. Познавайки го, човек може да предвиди свойствата на материала и неговата електронна структура. C11 493 482 C22 546 537 C33 470 485 C12 142 144 C13 146 147 C23 160 146 C44 212 204 C55 186 186 Еластични константи на 6 O6 на 41 MgSi 41 MgSi
10. 10. Няколко истории 4. Материали от земните недра 3. Материали от компютър 2. Възможно ли е да се предвиди кристален1. За връзката на структура? структура и свойства
11. 11. Защо ледът е по-лек от водата Структурата на леда съдържа големи празни канали, които не се срещат в течната вода. Поради наличието на тези празни канали, ледът е по-лек от леда.
12. 12. Газови хидрати (клатрати) - лед, пълен с гостуващи молекули (метан, въглероден диоксид, хлор, ксенон и др.) Брой публикации за клатрати Огромни находища на метанов хидрат - надежда и спасение на енергията? При ниско налягане метанът и въглеродният диоксид образуват клатрати - 1 литър клатрат съдържа 168 литра газ! Метан хидратът изглежда като лед, но изгаря, за да освободи вода. Дали CO2 хидратът е форма на съхранение на въглероден диоксид? Механизмът на ксенонова анестезия е образуването на Xe-хидрат, който блокира предаването на невронни сигнали към мозъка (Pauling, 1951)
13. 13. Микропрести материали за химическата промишленост и пречистване на околната среда Зеолитите са микропорести алумосиликати.Разделянето на октан и изооктан чрез зеолит се използва в химическата промишленост. индустрия Исторически примери за отравяне с тежки метали: Цин Ши Хуанди Иван IV Грозни "Болестта на Нерон (37-68) Олово (259 - 210 пр.н.е.) (1530-1584) безумно отравяне: шапкар" агресия, деменция
14. 14. Нови и стари свръхпроводници Феноменът е открит през 1911 г. от Камерлинг-Онес Теория на свръхпроводимостта – 1957 г. (Bardeen, Cooper, Schrieffer), но няма теория за свръхпроводниците с най-висока температура (Bednorz, Muller, 1986)! Най-мощните магнити (ЯМР, мас спектрометри, ускорители на частици) Магнитни левитационни влакове (430 км/ч)
15. 15. Изненада: свръхпроводящи примесни форми на въглерод 1.14 1 Tc  exp[ ] kB g (E F)V Легиран графит: KC8 (Tc=0.125 K), CaC6 (Tc=11 K). B-легиран диамант: Tc=4 K. Легирани фулерени: RbCs2C60 (Tc=33 K) Молекула на молекулата Структура и външен вид на C60 фулеритни фулеренови кристали Свръхпроводимостта в органичните кристали е известна от 1979 г. (Bechgaard, 1979).
16. 16. Как материалите могат да спасяват или унищожават При ниски температури калайът претърпява фазов преход – „калаена чума“. 1812 г. - според легендата експедицията на Наполеон в Русия загива заради тенекиени копчета на униформите му! 1912 г. - смъртта на експедицията на капитан Р.Ф. Скот до Южния полюс, който се приписва на „калаената чума“. Преход от първи ред при 13 0C Бял калай: 7,37 g/cm3 Сив калай: 5,77 g/cm3
17. 17. Сплави с памет за формата 1 2 3 4 1- преди деформация 3- след нагряване (20°C) (50°C) 2- след деформация 4- след охлаждане (20°C) (20°C) Пример: NiTi ( нитинол ) Приложения: шунти, зъбни брекети, елементи на нефтопроводи и самолетни двигатели
18. 18. Чудеса на оптичните свойства Плеохроизъм (кордиерит) - откритие на Америка и навигация на ВВС на САЩ Двупречупване на светлината (калцит) Александритен ефект (хризоберил) Ликург чаша (стъкло с наночастици)
19. 19. Относно естеството на цвета Дължина на вълната, Å Цвят Допълнителен цвят 4100 Виолетов лимонено жълт 4300 Индиго жълт 4800 Син Оранжев 5000 Син Зелен Червен 5300 Зелен Магента 5600 Лимон Жълт Виолетов 5800 Жълт Индиго 6100 Оранжев Червен Син 6
20. 20. Цветът зависи от посоката (плеохроизъм). Пример: кордиерит (Mg,Fe)2Al4Si5O18.
21. 21. 2. Прогнозиране на кристални структури Оганов А.Р., Ляхов А.О., Вале М. (2011). Как работи прогнозирането на еволюционната кристална структура - и защо. съгл. Chem. Рез. 44, 227-237.
22. 22. J. Maddox (Nature, 1988) Задачата е да се намери ГЛОБАЛНИЯ минимум на Natoms Variants Времева енергия. 1 1 1 сек. Невъзможно е да се изброят всички структури: 10 1011 103 г. 20 1025 1017 г. 30 1039 1031 г. Преглед на метода USPEX (ARO & Glass, J.Chem.Phys. 2006)
23. 23. Как да използваме еволюцията на кенгуру, за да открием връх Еверест? (снимка от Р. Клег) Разтоварваме войски на кенгуру и ги оставяме да се размножават (не е показано поради цензурни причини).....
24. 24. Как да използваме еволюцията на кенгуру, за да открием връх Еверест? (снимка от Р. Клег) Аааа! Ой....и от време на време идват ловци и премахват кенгурута на по-малка надморска височина
25. 25.
26. 26. Еволюционните изчисления се „самообучават“ и фокусират търсенето върху най-интересните региони на космоса
27. 27. Еволюционните изчисления се „самообучават“ и фокусират търсенето върху най-интересните региони на космоса
28. 28. Еволюционните изчисления се „самообучават“ и фокусират търсенето върху най-интересните региони на космоса
29. 29. Еволюционните изчисления се „самообучават“ и фокусират търсенето върху най-интересните региони на космоса
30. 30. Алтернативни методи: Случайно търсене (Freeman & Catlow, 1992; van Eijck & Kroon, 2000; Pickard & Needs, 2006) Без "обучение", работи само за прости системи (до 10-12 атома) Изкуствено отгряване (Pannetier 1990; Schön & Jansen 1996) Без метадинамика на "обучение" (Martonak, Laio, Parrinello 2003) Търсене на табу в намалено пространство Минимум скачане (Gödecker 2004) Използва история на изчисленията и "самообучение". Буш (1995), Уудли (1999) генетичните и еволюционни алгоритми са неефективен метод за кристали. Deaven & Ho (1995) е ефективен метод за наночастици.
31. 31. USPEX (Универсален структурен предиктор: еволюционна ксталография) (Случайна) начална популация Ново поколение структури се произвежда само от най-добрите настоящи структури (1) Наследство (3) Координатна (2) Мутация на решетката (4) Пермутация
32. 32. Допълнителни трикове - параметърът на реда “Fingerprint” на структурата Раждане на реда от хаоса в еволюционния процес [“GOD = Generator Of Diversity” © S. Avetisyan] Локален ред – показва дефектни зони
33. 33. Тест: „Кой би предположил, че графитът е стабилният алотроп на въглерода при обикновено налягане?“ (Maddox, 1988) Триизмерна sp2 структура, предложена от R. Hoffmann (1983) като стабилна фаза при 1 atm енергийна хибридизация, илюстрира sp2 хибридизация въглеродна химия sp хибридизация (карабина)
34. Тест: Фазите с високо налягане също се възпроизвеждат правилно 100 GPa: стабилен диамант 2000 GPa: стабилна фаза bc8 + намерена метастабилна фаза, обясняваща Метастабилната bc8 фаза на силициевия "свръхтвърд графит" е известна (Kasper, 1964) (Li, ARO, Ma и др. ., PRL 2009)
35. 35. Открития, направени с USPEX:
36. 36. 3. Материали от компютъра
37. 37. Откриване на нови материали: все още експериментален опит и грешка "Не се провалих (десет хиляди), а открих само 10 000 начина, които не работят" (Т. А. Едисън)
38. 38. Търсене на най-плътното вещество: възможни ли са модификации на въглерода с по-голяма плътност от диаманта? Да Структурата на DiamondDiamond има най-малкия атомен обем и най-голяма несвиваемост от цялата нова структура, елементи (и съединения). по-плътен от диамант! (Zhu, ARO, et al., 2011)
39. 39. Аналогията на формите на въглерод и силициев диоксид (SiO2) дава възможност да се разбере плътността на новите форми на въглерод. Нови структури, 1,1-3,2% по-плътни от диаманта, много високи (до 2,8!) коефициенти на пречупване и светлинна дисперсия диамант hP3 структура tP12 структура tI12 структура SiO2 кристобалит SiO2 кварц SiO2 кит високо налягане SiS2 фаза
40. 40.
41. 41. Най-твърдият оксид е TiO2? (Dubrovinsky et al., Nature 410, 653-654 (2001)) Nishio-Hamane (2010) и Al-Khatatbeh (2009): модул на компресия ~300 GPa вместо 431 GPa. Lyakhov & ARO (2011): Експериментите с налягане са много трудни! Твърдост не по-висока от 16 GPa! TiO2 е по-мек от SiO2 на стишовит (33 GPa), B6O (45 GPa), Al2O3 на корунд (21 GPa).
42. 42. Възможни ли са форми на въглерод, по-твърди от диаманта? Не . Материал модел Li Lyakhov Exp. Твърдост, енталпия и др. & Ar структура на GPa EV/Atom (2009) (2011) 89,7 0,000 диамант 91,2 89,7 90 Lonsdelit 89,1 0,026 графит 57,4 0,14 0,14 C2/M 84,3 0,16N 84,3 0,161 0,160 23.4.4 23.4 23.4 23.4 23.4 23.4 23.4 23.4 23.4 23.4itare CMCM 83.5 0.282Sio2 Stishovite 31.8 30.8 33 P2/M 83.4 0.166 I212121 82.9 0.784 fmmm 82.2 0.322 cmcm 82.0 0.224 p652 81.1.3 0.11.
43. 43. Студената компресия на графита дава М-въглерод, а не диамант! М-въглеродът е предложен през 2006 г. През 2010-2012г. Предложени са десетки алтернативни структури (W-, R-, S-, Q-, X-, Y-, Z-въглерод и др.) M-въглеродът се потвърждава от последните експерименти M-въглеродът се образува най-лесно от graphite graphite bct4-carbon graphite M - въглероден графитен диамант
44. 44. М-въглерод - нова форма на въглероден диамантграфит лонсдейл Теоретична фазова диаграма на въглеродни М-карбонфулерени карабини
45. 45. Вещество под налягане в природата P.W. Бриджман 1946 Нобелов лауреат (физика) 200x мащаб: 100 GPa = 1 Mbar =
46. Нептун има вътрешен източник на топлина - но откъде идва CH4? Уран и Нептун: H2O:CH4:NH3 = 59:33:8. Нептун има вътрешен енергиен източник (Хъбард'99). Ross'81 (и Benedetti'99): CH4=C(диамант) + 2H2. Дали падащият диамант е основният източник на топлина на Нептун? Теорията (Ancilotto’97; Gao’2010) потвърждава това. метан въглеводороди диамант
47. 47. Борът се намира между метали и неметали и неговите уникални структури са чувствителни към B примеси, температура и налягане alpha-B beta-B T-192
48. 48. Историята на откриването и изследването на бор е пълна с противоречия и детективски завои B 1808: J.L. Gay-Lussac и H. Davy обявяват откриването на нов елемент - бор. Гей-Люсак Х. Дейви 1895: Х. Моасан доказа, че откритите от тях вещества съдържат не повече от 50-60% бор. Материалът Moissan обаче също се оказа съединение със съдържание на бор под 90%. H. Moissan 1858: F. Wöhler описва 3 модификации на бора - "диамант-", "графит-" и "подобен на въглища". И трите се оказаха съединения (например AlB12 и B48C2Al). 2007: Публикувани са ~16 кристални модификации (повечето са съединения?). Не е известно коя форма е най-стабилна. Ф. Вьолер
49. 49. Под налягане борът образува частично йонна структура! B 2004: Чен и Соложенко: синтезираха нова модификация на бора, но не можаха да решат неговата структура. 2006: Оганов: определи структурата, доказа нейната стабилност. 2008: Соложенко, Куракевич, Оганов - тази фаза е едно от най-твърдите известни вещества (твърдост 50 GPa). Рентгенова дифракция. Отгоре - теория, Отдолу - експеримент. Структура на гама-бор: (B2)δ+(B12)δ-, δ=+0,5 (ARO et al., Nature 2009) Разпределение на най-много (вляво) и най-малко (вдясно) стабилни електрони.
50. 50. Първата фазова диаграма на бора - след 200 години изследвания! Фазова диаграма на бора (ARO et al., Nature 2009)
51. 51. Натрият е метал, перфектно описан от модела на свободния електрон
52. 52. Под налягане натрият променя същността си – „алхимична трансформация“ Na 1807: Натрият, открит от Хъмфри Дейви. 2002: Hanfland, Syassen, et al. - първата индикация за изключително сложна химия H. Натриевото налягане на Дейви над 1 Mbar. Gregoryants (2008) за по-подробни данни. Под налягане натрият се превръща отчасти в d-метал!
53. 53. Предсказали сме нова структура, която е прозрачен неметал! Натрият става прозрачен при налягане от ~2 Mbar (Ma, Eremets, ARO et al., Nature 2009) Електроните се локализират в „празното пространство“ на структурата, което прави компресирания натрий неметал
54. Изучаването на минералите е не само естетическо удоволствие, но и практически и фундаментално важно научно направление Ефект от понижаване на точката на топене от примеси. Сплав на дървото - топи се при 70 C. Bi-Pb-Sn-Cd-In-Tl сплав - при 41,5 С!
55. 64. А какъв е съставът на вътрешното ядро ​​на Земята? Ядрото е малко по-малко плътно от чистото желязо. В Fe ядрото в сплав с леки елементи като S, Si, O, C, H. Нови съединения (FeH4!) се предвиждат в системите Fe-C и Fe-H. Въглеродът може да се съдържа в ядрото в големи количества [Бажанова, Оганов, Джанола, UFN 2012]. Процентът въглерод във вътрешното ядро, необходим за обяснение на неговата плътност
56. 65. Природата на слой D” (2700-2890 km) остава загадка за дълго време D” – коренът на горещите мантийни потоци MgSiO3 се очаква да бъде ~75 об.% Странности на слой D”: сеизмичен прекъсване, анизотропия Припомнете си анизотропията на цвета на кордиерита!
57. 66. Отговорът се крие в съществуването на нов минерал, MgSiO3 постперовскит в слой D“ (2700-2890 km) Перовскит при охлаждането на Земята D“ отсъства от Меркурий и Марс Ново семейство минерали, предсказано Потвърждение – Tschauner (2008)
58. 67. Структурата на материята е ключът към разбирането на света 4. Разбирането за вътрешността на планетата се задълбочава 3. Компютърът се научава да предсказва нови материали 2. Вече е възможно да се предскажат кристални структури1. Структурата определя свойствата
59. 68. Благодарности: Моите студенти, докторанти и докторанти: А. Ляхов Ю. Ма С.Е. Boulfelfel C.W. Glass Q. Zhu Y. Xie Колеги от други лаборатории: F. Zhang (Пърт, Австралия) C. Gatti (U. Milano, Италия) G. Gao (Jilin University, Китай) A. Bergara (U. Basque Country, Испания) I. Errea (Страна на баските, Испания) M. Martinez-Canales (UCL, UK) C. Hu (Guilin, Китай) M. Salvado & P.Pertierra (Oviedo, Испания) V.L. Соложенко (Париж) Д.Ю. Пущаровски, В.В. Бражкин (Москва) Потребители на програмата USPEX (>1000 души) - http://han.ess.sunysb.edu/~USPEX

Публикуваме текста на лекция, изнесена от професор в Държавния университет в Ню Йорк, доцент в Московския държавен университет, почетен професор в университета ГуилинАртем Оганов 8 Септември 2012 г. като част от поредицата публични лекции на Polit.ru на Фестивала на книгата на открито BookMarket в парка на изкуствата "Музеон".

„Публични лекции „Polit.ru““ се провеждат с подкрепата на:

Текст на лекцията

Много съм благодарен на организаторите на този фестивал и на Polit.ru за поканата. За мен е голяма чест да изнеса тази лекция; Надявам се да ви е интересно.

Лекцията е пряко свързана с нашето бъдеще, защото нашето бъдеще е невъзможно без нови технологии, технологии, свързани с качеството ни на живот, тук е iPad, тук е нашия проектор, цялата ни електроника, енергоспестяващи технологии, технологии, които са свикнали да почистване на околната среда, технологии, използвани в медицината и така нататък - всичко това зависи до голяма степен от новите материали, новите технологии изискват нови материали, материали с уникални, специални свойства. И за това как тези нови материали могат да бъдат разработени не в лаборатория, а на компютър, историята ще продължи.

Лекцията се казва: „Компютърно проектиране на нови материали: мечта или реалност?“. Ако беше само сън, тогава лекцията нямаше да има смисъл. Сънищата по правило са нещо, което не е от сферата на реалността. От друга страна, ако това вече беше напълно осъзнато, лекцията също нямаше да има смисъл, защото нов вид методологии, включително теоретични изчислителни, когато вече са напълно разработени, преминават от категорията на науката към категорията на рутинни индустриални задачи. Всъщност тази област е напълно нова: компютърното проектиране на нови материали е някъде по средата между мечтата - нещо, което е невъзможно, нещо, за което мечтаем в свободното си време - и реалността, това все още не е напълно завършена област , това е област, която се развива в момента. И тази област ще позволи в близко бъдеще да се оттегли от традиционния метод за откриване на нови материали, лаборатория и да започне компютърно проектиране на материали, би било и по-евтино, и по-бързо, и в много отношения дори по-надеждно. И ето как да го направите, ще ви кажа. Това е пряко свързано с проблема за прогнозиране, предсказване на структурата на веществото, защото структурата на веществото определя неговите свойства. Различната структура на едно и също вещество, да речем въглерода, определя свръхтвърдия диамант и супермекия графит. Структурата в този случай е всичко. Структурата на материята.

Като цяло тази година празнуваме стогодишнината от първите експерименти, които направиха възможно откриването на структурата на материята. Много отдавна, от древни времена, хората излагат хипотези, че материята се състои от атоми. Споменаване за това може да се намери например в Библията, в различни индийски епоси, а доста подробни препратки към това могат да се видят в Демокрит и Лукреций Кара. И първото споменаване за това как е подредена материята, как това вещество се състои от тези дискретни частици, атоми, принадлежи на Йоханес Кеплер, великият математик, астроном и дори астролог - по това време астрологията все още се смяташе за наука, за съжаление. Кеплер нарисува първите снимки, в които обяснява шестоъгълната форма на снежинките, а структурата на леда, предложена от Кеплер, макар и различна от реалността, е сходна в много отношения. Но въпреки това хипотезата за атомната структура на материята остава хипотеза до 20-ти век, докато преди сто години за първи път тази хипотеза не стана научно доказана. Това стана доказано с помощта на моята наука, кристалографията, една сравнително нова наука, която се ражда в средата на 17-ти век, 1669 г. е официалната рождена дата на науката кристалография и е създадена от прекрасния датски учен Николай Стенон . Всъщност той се казваше Нилс Стенсен, беше датчанин, латинизираното име е Николай Стенон. Той основава не само кристалографията, но и редица научни дисциплини и формулира първия закон на кристалографията. От това време кристалографията започва да се развива по ускоряваща се траектория.

Никълъс Стенон имаше уникална биография. Той стана не само основател на няколко науки, но и беше канонизиран в Католическата църква. Най-великият немски поет Гьоте е бил и кристалограф. И Гьоте цитира, че кристалографията е непродуктивна, съществува в себе си и като цяло тази наука е напълно безполезна и не е ясно защо е необходима, но като пъзел е много интересна и поради това привлича много умни хора. Това каза Гьоте в една научнопопулярна лекция, която изнесе някъде в баденските минерални извори на богати безделни дами. Между другото, има минерал, кръстен на Гьоте, гьотит. Трябва да кажа, че по това време кристалографията наистина беше доста безполезна наука, наистина на нивото на някакви математически шаради и пъзели. Но времето минава и преди 100 години кристалографията напуска категорията на подобни науки сама по себе си и се превръща в изключително полезна наука. Това беше предшествано от голяма трагедия.

Отново атомната структура на материята остава хипотеза до 1912 г. Великият австрийски физик Лудвиг Болцман изгради всичките си научни аргументи върху тази хипотеза за атомността на материята и беше остро критикуван от много от опонентите си: „как можеш да изградиш всичките си теории върху недоказана хипотеза?“ Лудвиг Болцман, повлиян от тази критика, както и от лошото си здраве, се самоубива през 1906 г. Той се обеси по време на почивка със семейството си в Италия. Само 6 години по-късно е доказана атомната структура на материята. Така че, ако беше малко по-търпелив, щеше да триумфира над всичките си противници. Търпението понякога означава повече от интелигентност, търпението означава повече дори от гениалност. И така - какви бяха тези експерименти? Тези експерименти са направени от Макс фон Лауе, по-точно от неговите аспиранти. Макс фон Лауе не е правил нито един от тези експерименти сам, но идеята е негова. Идеята беше, че ако материята наистина е съставена от атоми, ако наистина, както Кеплер предположи, атомите са изградени в кристал по периодичен, правилен начин, тогава трябва да се наблюдава един интересен феномен. Малко преди това бяха открити рентгенови лъчи. Физиците по това време вече добре разбраха, че ако дължината на вълната на излъчването е сравнима с дължината на периодичността - характерната дължина на обекта, в този случай - кристала, тогава трябва да се наблюдава феноменът на дифракция. Тоест лъчите ще пътуват не само строго по права линия, но и ще се отклоняват до абсолютно строго определени ъгли. Така от кристала трябва да се наблюдава някаква много специална рентгенова дифракционна картина. Беше известно, че дължината на вълната на рентгеновите лъчи трябва да бъде подобна на размера на атомите, ако съществуват атоми, бяха направени оценки за размера на атомите. По този начин, ако атомната хипотеза за структурата на материята е вярна, тогава трябва да се наблюдава дифракция на рентгенови лъчи на кристалите. Какво може да бъде по-лесно от проверката?

Проста идея, прост експеримент, за който след малко повече от година, Laueполучи Нобелова награда по физика. И можем да опитаме този експеримент. Но, за съжаление, сега е твърде леко за всички да наблюдават този експеримент. Но може би можем да опитаме с един свидетел? Кой би могъл да дойде тук и да се опита да наблюдава този експеримент?

Виж. Ето лазерна показалка, светим я - и какво става тук? Ние нямаме рентгенови лъчи, имаме оптичен лазер. И това не е структурата на кристала, а неговото изображение, набъбнало 10 хиляди пъти: но дължината на вълната на лазера е 10 хиляди пъти по-голяма от дължината на вълната на рентгеновите лъчи и по този начин дифракционното условие отново е изпълнено - дължината на вълната е сравнима с период на кристалната решетка. Нека разгледаме обект, в който няма правилна структура, течност. Ето, Олег, дръж тази снимка и аз ще блесна с лазер, приближи се, картината ще бъде малка, защото не можем да проектираме ... вижте, тук виждате пръстен, вътре има точка, която характеризира директния проход на лъча. Но пръстенът е дифракция от неорганизираната структура на течността. Ако имаме кристал пред нас, тогава картината ще бъде съвсем различна. Виждате ли, имаме много лъчи, които се отклоняват под строго определени ъгли.

Олег (доброволец):Сигурно защото има повече атоми...

Артьом Оганов:Не, поради факта, че атомите са подредени по строго определен начин, можем да наблюдаваме такава дифракционна картина. Тази картина е много симетрична и това е важно. Нека аплодираме Олег за блестящо проведен експеримент, който щеше да му донесе Нобелова награда преди 100 години.

По-нататък - следващата година баща и син Браги се научиха да дешифрират дифракционни модели, да определят кристалните структури от тях. Първите структури бяха много прости, но сега, благодарение на най-новите методологии, за които беше присъдена Нобеловата награда през 1985 г., е възможно да се дешифрират вече много, много сложни структури, въз основа на експеримент. Ето експеримента, който Олег и аз възпроизведем. Ето оригиналната структура, тук са молекулите на бензола и Олег наблюдава такава дифракционна картина. Сега, с помощта на експеримент, е възможно да се дешифрират много сложни структури, по-специално структури на квазикристали, а миналата година беше дадена Нобеловата награда по химия за откриването на квазикристалите, това ново състояние на твърда материя. Колко динамична е тази област, какви фундаментални открития се правят през нашия живот! Структурата на протеините и други биологично активни молекули също се дешифрира чрез рентгенови дифракционни изследвания, този страхотен кристалографски метод.

И така, ние познаваме различните състояния на материята: подредено кристално и квазикристално, аморфно (неподредено твърдо състояние), както и течно, газообразно състояние и различни полимерни състояния на материята. Познавайки структурата на материята, можете да предскажете много, много от нейните свойства и с висока степен на надеждност. Ето структурата на магнезиевия силикат, вид перовскит. Познавайки приблизителните позиции на атомите, можете да предвидите, например, такова доста трудно свойство като еластичните константи - това свойство се описва с тензор от ранг 4 с много компоненти и можете да предвидите това сложно свойство с експериментална точност, като знаете само позиция на атомите. И веществото е доста важно, съставлява 40% от обема на нашата планета. Това е най-разпространеният материал на земята. И да разберем свойствата на това вещество, което съществува на големи дълбочини, е възможно, знаейки само подреждането на атомите.

Бих искал да говоря малко за това как свойствата са свързани със структурата, как да се предвиди структурата на материята, за да може да се предскаже нови материали и какво е направено с помощта на тези видове методи. Защо ледът е по-лек от водата? Всички знаем, че айсбергите плуват и не потъват, знаем, че ледът винаги е на повърхността на реката, а не на дъното. Какъв е проблема? Става дума за структурата: ако погледнете тази структура от лед, ще видите големи шестоъгълни кухини в нея и когато ледът започне да се топи, водните молекули запушват тези шестоъгълни кухини, поради което плътността на водата става по-голяма от плътността на лед. И можем да демонстрираме как се случва този процес. Ще ви покажа кратък филм, гледайте внимателно. Топенето ще започне от повърхностите, така всъщност става, но това е компютърно изчисление. И ще видите как топенето се разпространява навътре... молекулите се движат и ще видите как тези шестоъгълни канали се запушват и редовността на структурата се губи.

Ледът има няколко различни форми, а формата на леда, която се получава чрез запълване на празнините на ледената структура с гостуващи молекули, е много интересна. Но самата структура също ще се промени. Говоря за така наречените газови хидрати или клатрати. Виждате скелет от водни молекули, в който има кухини, в които има гостуващи молекули или атоми. Молекулите на гостите могат да бъдат метан - природен газ, могат да бъдат въглероден диоксид, могат да бъдат например атом ксенон и всеки от тези газови хидрати има интересна история. Факт е, че запасите от метан хидрат съдържат 2 порядъка повече природен газ от конвенционалните газови находища. Отлаганията от този тип обикновено се намират на морския шелф и в зоните на вечна замръзване. Проблемът е, че хората все още не са се научили как безопасно и рентабилно да извличат газ от тях. Ако този проблем бъде решен, тогава човечеството ще може да забрави за енергийната криза, ще имаме почти неизчерпаем източник на енергия за следващите векове. Въглеродният диоксид е много интересен - може да се използва като безопасен начин за заравяне на излишния въглероден диоксид. Изпомпвате въглероден диоксид под лек натиск в леда и го изсипвате на морското дъно. Този лед съществува там съвсем спокойно от много хиляди години. Ксеноновият хидрат беше обяснението за ксенонова анестезия, хипотеза, изложена преди 60 години от великия кристалохимик Линус Полинг: факт е, че ако на човек му бъде позволено да диша ксенон под лек натиск, човекът спира да чувства болка. Той е бил и изглежда понякога се използва като анестетик при хирургични процедури. Защо?

Ксенонът под ниско налягане образува съединения с водни молекули, образувайки самите газови хидрати, които блокират разпространението на електрически сигнал през човешката нервна система. И сигналът за болка от оперираната тъкан просто не достига до мускулите, поради факта, че ксенон хидратът се образува точно с такава структура. Това беше първата хипотеза, може би истината е малко по-сложна, но няма съмнение, че истината е наблизо. Когато говорим за такива порести вещества, няма как да не си припомним микропорьозните силикати, т. нар. зеолити, които се използват много широко в индустрията за катализа, както и за отделяне на молекули при крекинг на масло. Например, октановите и мезооктановите молекули са перфектно разделени от зеолити: това е същата химическа формула, но структурата на молекулите е малко по-различна: едната от тях е дълга и тънка, другата е къса и дебела. И този, който е тънък, преминава през кухините на структурата, а този, който е дебел, се отсява и затова такива структури, такива вещества се наричат ​​молекулярни сита. Тези молекулярни сита се използват за пречистване на вода, по-специално водата, която пием в нашите кранове, тя трябва да премине през множество филтрации, включително с помощта на зеолити. По този начин можете да се отървете от замърсяването с различни химически замърсители. Химическите замърсители понякога са изключително опасни. Историята знае примери за това как отравянето с тежки метали доведе до много тъжни исторически примери.

Очевидно първите императори на Китай Цин Ши Хуанди и Иван Грозни са били жертви на отравяне с живак, а така наречената болест на лудия шапкар е била много добре проучена, през 18-19 век в Англия цял клас хора работели в индустрията за шапки се разболява много рано от странно неврологично заболяване, наречено болест на лудия шапкар. Речта им стана непоследователна, действията им безсмислени, крайниците им трепереха неудържимо и те изпаднаха в деменция и лудост. Тялото им било в постоянен контакт с живак, тъй като накисвали тези шапки в разтвори на живачни соли, които влизали в тялото им и се отразявали на нервната система. Иван Грозни беше много прогресивен, добър цар под 30-годишна възраст, след което се промени за една нощ - и стана луд тиранин. Когато тялото му беше ексхумирано, се оказа, че костите му са силно деформирани и съдържат огромна концентрация на живак. Факт е, че царят е страдал от тежка форма на артрит и по това време артритът се е лекувал с търкане на живачни мехлеми - това е било единственото лекарство и може би просто живакът обяснява странната лудост на Иван Грозни. Цин Ши Хуанг, човекът, създал Китай в сегашния му вид, управлява 36 години, а първите 12 години е марионетка в ръцете на майка си, регентката, историята му е подобна на историята на Хамлет. Майка му и любовникът му убиха баща му, а след това се опитаха да се отърват и от него, ужасна история. Но след като узрял, той започна да управлява себе си - и за 12 години той спря междуособната война между 7-те китайски кралства, която продължи 400 години, обедини Китай, обедини тежести, пари, единна китайска писменост, построи Великата стена от Китай, той построи 6 5000 километра магистрали, които все още се използват, канали, които все още се използват, и всичко това беше направено от един човек, но през последните години той претърпя някаква странна форма на маниакална лудост. Неговите алхимици, за да го направят безсмъртен, му дадоха хапчета живак, те вярваха, че това ще го направи безсмъртен, в резултат на това този човек, очевидно отличаващ се със забележително здраве, почина, преди да навърши 50 години, а последните години на това краткият живот беше замъглен от лудост. Отравянето с олово може да е направило много римски императори свои жертви: в Рим е имало оловен водопровод, акведукт и е известно, че при отравяне с олово някои части на мозъка се свиват, дори можете да видите това на томографски снимки, падане на интелигентността, IQ пада, човек става много агресивен. Отравянето с олово все още е голям проблем в много градове и страни. За да се отървем от този вид нежелани последици, трябва да разработим нови материали за почистване на околната среда.

Интересни материали, които не са напълно обяснени, са свръхпроводниците. Свръхпроводимостта също е открита преди 100 години. Това явление е до голяма степен екзотично, открито е по случаен начин. Те просто охладиха живака в течен хелий, измериха електрическото съпротивление, оказа се, че то пада точно до нула, а по-късно се оказа, че свръхпроводниците напълно изтласкват магнитното поле и са в състояние да левитират в магнитно поле. Тези две характеристики на свръхпроводниците се използват широко във високотехнологични приложения. Видът на свръхпроводимостта, открит преди 100 години, беше обяснен, отне половин век, за да се обясни, това обяснение донесе Нобеловата награда на Джон Бардийн и неговите колеги. Но тогава през 80-те години, вече в нашия век, беше открит нов вид свръхпроводимост и най-добрите свръхпроводници принадлежат към този клас - високотемпературни свръхпроводници на основата на мед. Интересна особеност е, че такава свръхпроводимост все още няма обяснение. Има много приложения за свръхпроводници. Например с помощта на свръхпроводници се създават най-мощните магнитни полета и това се използва в магнитно-резонансната томография. Левитиращите влакове на маглев са друга употреба и ето снимка, която лично направих в Шанхай на влак с маглев, показваща индикатор за скорост от 431 километра в час. Свръхпроводниците понякога са много екзотични: органичните свръхпроводници, тоест свръхпроводниците на основата на въглерод, са известни от повече от 30 години; оказва се, че дори диамантът може да се направи свръхпроводник чрез въвеждане на малко количество борни атоми в него. Графитът може да се направи и свръхпроводник.

Ето и интересен исторически паралел за това как свойствата на материалите или тяхното незнание могат да имат фатални последици. Две истории, които са много красиви, но очевидно не са исторически правилни, но все пак ще ги разкажа, защото красивата история понякога е по-добра от истинската. В научно-популярната литература всъщност често могат да се намерят препратки за това как ефектът от калаената чума – и ето нейния пример – съсипа експедициите на Наполеон в Русия и капитан Скот до Южния полюс. Факт е, че калай при температура от 13 градуса по Целзий претърпява преход от метал (това е бял калай) към сив калай, полупроводник, докато плътността пада рязко - и калайът се разпада. Това се нарича "калаена чума" - калайът просто се разпада на прах. И ето една история, за която не видях пълно обяснение. Наполеон идва в Русия с армия от 620 хиляди, дава само няколко относително малки битки - и само 150 хиляди души достигат до Бородино. 620 идват, 150 хиляди достигат до Бородин почти без бой. Под Бородино, още около 40 хиляди жертви, след това отстъпление от Москва - и 5 хиляди стигат до Париж живи. Между другото, отстъплението също беше почти без бой. Какво става? Как да плъзнете от 620 хиляди без битка до 5 хиляди? Има историци, които твърдят, че за всичко е виновна калаената чума: копчетата на униформите на войниците са били от калай, калайът се е разпаднал веднага щом настъпи студът, а войниците всъщност са били голи в руската слана. Проблемът е, че копчетата са направени от мръсен калай, който е устойчив на калаена чума.

Много често в научнопопулярната преса можете да видите споменаване, че според различни версии капитан Скот или е носел със себе си самолети, в които резервоарите за гориво са имали калаени спойки, или консерви в ламаринени кутии - калайът отново се разпадна и експедицията умря от глад и студ. Всъщност четох дневниците на капитан Скот - той не спомена никакви самолети, имаше някаква моторна шейна, но пак не пише за резервоара за гориво, не пише и за консерви. Така че тези хипотези, очевидно, са неверни, но много интересни и поучителни. А запомнянето на ефекта от калаената чума е поне полезно, ако отивате в студен климат.

Ето още един експеримент и тук ми трябва вряща вода. Друг ефект, свързан с материалите и тяхната структура, който не би хрумнал на никой, е ефектът на паметта на формата, също открит съвсем случайно. На тази илюстрация можете да видите, че моите колеги направиха две букви от този проводник: T U, Технически университет, те втвърдиха тази форма при високи температури. Ако втвърдите някаква форма при висока температура, материалът ще запомни тази форма. Можете да направите сърце, например, да го дадете на любимия си и да кажете: това сърце ще помни моите чувства завинаги ... тогава тази форма може да бъде унищожена, но веднага щом го поставите в гореща вода, формата се възстановява, изглежда като магия. Току-що сте счупили тази форма, но сте я сложили в гореща вода - формата се възстановява. И всичко това се случва поради много интересна и доста фина структурна трансформация, която се случва в този материал при температура от 60 градуса по Целзий, поради което в нашия експеримент е необходима гореща вода. И същата трансформация се случва в стоманата, но в стоманата се случва твърде бавно - и ефектът на паметта на формата не се появява. Представете си, ако стоманата също показва такъв ефект, щяхме да живеем в съвсем различен свят. Ефектът на паметта на формата има толкова много приложения: зъбни брекети, сърдечни байпаси, части на двигателя в самолети за намаляване на шума, запояване в газопроводи и нефтопроводи. А сега имам нужда от още един доброволец... моля те, как се казваш? Вика? Нуждаем се от помощта на Вики с този проводник, това е проводник с памет на формата. Същата сплав нитинол, сплав от никел и титан. Тази тел беше темперирана под формата на права тел и той ще запомни тази форма завинаги. Вика, вземи парче от тази тел и го усукай по всякакъв възможен начин, направи го възможно най-непряко, само не завързвай възлите: възелът няма да се разплете. А сега го потопете във вряща вода и жицата ще запомни тази форма ... добре, изправена? Този ефект може да се наблюдава вечно, сигурно съм го виждал хиляди пъти, но всеки път като дете гледам и се възхищавам какъв красив ефект. Нека аплодираме Вика. Би било чудесно, ако можем да предвидим и такива материали на компютър.

А ето и оптичните свойства на материалите, които също са напълно нетривиални. Оказва се, че много материали, почти всички кристали, разделят лъч светлина на два лъча, които се движат в различни посоки и с различна скорост. В резултат на това, ако погледнете през кристал някакъв надпис, тогава надписът винаги ще бъде леко удвоен. Но, като правило, той е неразличим за нашите очи. При някои кристали този ефект е толкова силен, че всъщност можете да видите два надписа.

Въпрос от залата:Казахте ли - на различни скорости?

Артем Оганов:Да, скоростта на светлината е постоянна само във вакуум. В кондензирана среда е по-ниска. Освен това мислехме, че всеки материал има определен цвят. Рубинът е червен, сапфирът е син, но се оказва, че цветът може да зависи и от посоката. Като цяло една от основните характеристики на кристала е анизотропията - зависимостта на свойствата от посоката. Имотите в тази посока и в тази посока са различни. Ето минерала кордиерит, в който цветът се променя от кафяво-жълт до син в различни посоки, това е един и същ кристал. Някой вярва ли ми? Донесох специален кристал от кордиерит, така че моля... вижте какъв цвят е?

Въпрос от залата:Изглежда бяло, но...

Артем Оганов:От нещо светло, като бяло, до лилаво, вие просто въртите кристала. Всъщност има исландска легенда за това как викингите са открили Америка. И много историци виждат тази легенда като индикация за използването на този ефект. Когато викингите се изгубиха в средата на Атлантическия океан, техният крал извади някакъв слънчев камък и в здрача успя да определи посоката на запад и така те отплаваха към Америка. Никой не знае какво е слънчев камък, но много историци смятат, че слънчевият камък е това, което Вика държи в ръцете си, кордиеритът, между другото, кордиеритът се намира край бреговете на Норвегия и с помощта на този кристал наистина можете да се ориентирате в здрач, при вечерна светлина, както и в полярните ширини. И този ефект се използва от ВВС на САЩ до 50-те години, когато е заменен от по-модерни методи. И ето още един интересен ефект - александрит, ако някой има желание, донесох кристал от синтетичен александрит и цветът му се променя в зависимост от източника на светлина: на дневна светлина и електрически. И накрая, има още един интересен ефект, който учените и изкуствоведите не могат да разберат в продължение на много векове. Чашата на Ликург е предмет, изработен от римски занаятчии преди повече от 2000 години. При разсеяна светлина тази чаша е зелена, а при пропусната светлина е червена. И успях да разбера това само преди няколко години. Оказа се, че купата не е от чисто стъкло, а съдържа златни наночастици, които създават този ефект. Сега разбираме природата на цвета - цветът е свързан с определени диапазони на абсорбция, с електронната структура на материята, а това от своя страна е свързано с атомната структура на материята.

Въпрос от залата:Могат ли да се обяснят понятията "отразено" и "преминаване"?

Артем Оганов:Мога! Между другото, отбелязвам, че именно тези спектри на абсорбция определят защо кордиеритът има различен цвят в различни посоки. Факт е, че самата структура на кристала - по-специално кордиерита - изглежда различно в различни посоки и светлината се абсорбира различно в тези посоки.

Какво е бяла светлина? Това е целият спектър от червено до виолетово и когато светлината преминава през кристала, част от този диапазон се абсорбира. Например, кристалът може да абсорбира син цвят и можете да видите какъв ще бъде резултатът от тази таблица. Ако поглъщате сини лъчи, тогава изходът ще бъде оранжев, тоест, когато видите нещо оранжево, вие знаете, че това вещество поглъща в синия диапазон. Разсеяна светлина е, когато имате същата чаша на Ликург на масата, светлината пада и част от тази светлина се разсейва и влиза в очите ви. Разсейването на светлината се подчинява на напълно различни закони и по-специално зависи от зърнистостта на обекта. Поради разсейването на светлината небето е синьо. Има закон за разсейване на Релей, който може да се използва за обяснение на тези цветове.

Показах ви как свойствата са свързани със структурата. И как е възможно да се предвиди кристалната структура, ще разгледаме накратко сега. Това означава, че проблемът с прогнозирането на кристалните структури до съвсем скоро се смяташе за нерешим. Самият този проблем е формулиран по следния начин: как да се намери подреждането на атомите, което дава максимална стабилност - тоест най-малко енергия? Как да го направя? Можете, разбира се, да подредите всички опции за подреждане на атомите в пространството, но се оказва, че има толкова много такива опции, че няма да имате достатъчно живот, за да ги сортирате, всъщност дори и за доста прости системи, да речем, с 20 атома, ще ви трябва повече от време животът на Вселената, за да преминете през всички тези възможни комбинации на компютъра. Поради това се счита, че този проблем е нерешим. Въпреки това този проблем беше решен и чрез няколко метода и най-ефективният метод, въпреки че може да звучи нескромно, беше разработен от моята група. Методът се нарича "Успех", "USPEX", еволюционен метод, еволюционен алгоритъм, чиято същност ще се опитам да ви обясня сега. Задачата е еквивалентна на намиране на глобалния максимум върху някаква многоизмерна повърхност - за простота, помислете за двуизмерна повърхност, повърхността на Земята, където трябва да намерите най-високата планина, без да имате карти. Нека го кажем така, както го изрази моят австралийски колега Ричард Клег – той е австралиец, обича кенгурута и в неговата формулировка с помощта на кенгурута, доста неинтелигентни животни, трябва да определите най-високата точка на повърхността на Земята. Кенгуру разбира само прости инструкции - качете се, слезте. В еволюционния алгоритъм пускаме произволно кацащо кенгуру в различни точки на планетата и даваме на всяка от тях инструкция: изкачете се до върха на най-близкия хълм. И те си отиват. Когато тези кенгура стигнат до Врабчовите хълмове например и когато стигнат може би до Елбрус, тези от тях, които не са се надигнали, биват елиминирани, стреляни обратно. Идва ловец, почти казах, художник, идва ловец и стреля, а тези, които са оцелели, получават право да се размножават. И благодарение на това е възможно да се отделят най-обещаващите области от цялото пространство за търсене. И стъпка по стъпка, като стреляте по-високи и по-високи кенгурута, ще преместите популацията на кенгуру до глобален максимум. Кенгурата ще произвеждат все по-успешно потомство, ловците ще стрелят все по-високо и по-високо катерещи се кенгурута и по този начин тази популация може просто да бъде изгонена до Еверест.

И това е същността на еволюционните методи. За простота пропускам техническите подробности за това как точно е реализирано това. И ето още една двуизмерна реализация на този метод, ето енергийната повърхност, трябва да намерим най-синята точка, ето нашите начални, произволни, структури - това са удебелите точки. Изчислението веднага разбира кои от тях са лоши, тук - в червените и жълтите зони, кои от тях са най-обещаващи: в сините, зеленикави зони. И стъпка по стъпка, плътността на вземане на проби от най-обещаващите области се увеличава, докато намерим най-адаптираната, най-стабилната структура. Има различни методи за предсказване на структури - методи за произволно търсене, изкуствено отгряване и т.н., но най-мощният метод се оказа този еволюционен.

Най-трудното е как да се произведат потомци от родители на компютър. Как да вземем две родителски структури и да направим дете от тях? Всъщност на компютър можете да правите деца не само от двама родители, ние експериментирахме, ние от трима и от четирима се опитахме да го направим. Но, както се оказва, това не води до нищо добро, както в живота. Дете е по-добре, ако има двама родители. Между другото, един родител също работи, двама родители са оптимални, а трима-четирима вече не работят. Еволюционният метод има няколко интересни характеристики, които, между другото, имат общо с биологичната еволюция. Виждаме как от неадаптирани, произволни структури, с които започваме изчислението, в хода на изчислението се появяват силно организирани, силно подредени решения. Виждаме, че изчисленията са най-ефективни, когато съвкупността от структури е най-разнообразна. Най-стабилните и най-оцелели популации са популациите с разнообразие. Ето, например, това, което харесвам в Русия, е фактът, че в Русия има повече от 150 нации. Има светлокоси, има тъмнокоси, има всякакви хора от кавказка националност като мен и всичко това дава на руското население стабилност и бъдеще. Монотонните популации нямат бъдеще. Това може да се види много ясно от еволюционните изчисления.

Можем ли да предвидим, че стабилната форма на въглерод при атмосферно налягане е графитът? да. Това изчисление е много бързо. Но освен графит, ние произвеждаме няколко интересни, малко по-малко стабилни решения в същото изчисление. И тези решения също могат да бъдат интересни. Ако увеличим налягането, графитът вече е нестабилен. Един диамант е стабилен и ние също го намираме много лесно. Вижте как изчислението бързо произвежда диамант от неуредени първоначални структури. Но преди да бъде намерен диамант, се произвеждат редица интересни структури. Ето например тази структура. Докато диамантът има шестоъгълни пръстени, тук се виждат пръстени с 5 и 7 ъгъла. Тази структура е само малко по-малко стабилна от диаманта и в началото си помислихме, че е любопитство, а след това се оказа, че това е нова, наистина съществуваща форма на въглерод, която беше установена съвсем наскоро от нас и нашите колеги. Това изчисление е направено при 1 милион атмосфери. Ако увеличим налягането до 20 милиона атмосфери, диамантът ще престане да бъде стабилен. И вместо диамант, ще бъде стабилна много странна структура, чиято стабилност за въглерод при такива налягания се подозира от много десетилетия и нашето изчисление потвърждава това.

С помощта на този метод е направено много от нас и нашите колеги, ето малка селекция от различни открития. Нека говоря само за някои от тях.

С помощта на този метод е възможно лабораторното откриване на материали да се замени с компютърно. В лабораторното откриване на материали Едисон беше ненадминат шампион, казвайки: „Не съм претърпял 10 хиляди неуспехи, открих само 10 хиляди начина, които не работят“. Това ви казва колко опити, неуспешни опити да направите, преди да направите истинско откритие с този метод и с помощта на компютърния дизайн, можете да постигнете успех в 1 опит от 1, 100 от 100, 10 хиляди от 10 хиляди , това е нашата цел е да заменим метода на Едисон с нещо много по-продуктивно.

Вече можем да оптимизираме не само енергията, но и всяка собственост. Най-простото свойство е плътността, а най-плътният материал, познат досега, е диамантът. Като цяло диамантът е рекордьор в много отношения. В кубичен сантиметър диамант има повече атоми, отколкото в кубичен сантиметър от което и да е друго вещество. Диамантът държи рекорда за твърдост и е също така най-малко свиваемото вещество. Могат ли тези рекорди да бъдат счупени? Сега можем да зададем този въпрос на компютъра и компютърът ще отговори. И отговорът е да, някои от тези рекорди могат да бъдат счупени. Оказа се, че е доста лесно да се победи диаманта по отношение на плътността, има по-плътни форми на въглерод, които имат право да съществуват, но все още не са синтезирани. Тези форми на въглерод превъзхождат диаманта не само по плътност, но и по оптични свойства. Те ще имат по-високи показатели на пречупване и светлинна дисперсия - какво означава това? Индексът на пречупване на диаманта придава на диаманта неговия ненадминат блясък и вътрешно отражение на светлината - а дисперсията на светлината означава, че бялата светлина ще се раздели на спектър от червена до виолетова дори повече, отколкото диамантът. Тук, между другото, е материалът, който често замества диаманта в бижутерската индустрия - кубичен цирконий, кубичен цирконий. Той превъзхожда диаманта по светлинна дисперсия, но, за съжаление, отстъпва на диаманта по блясък. А новите форми на въглерод ще победят диаманта и в двете точки. Какво ще кажете за твърдостта? До 2003 г. се смяташе, че твърдостта е свойство, което хората никога няма да се научат да предвиждат и изчисляват, през 2003 г. всичко се промени с работата на китайски учени, а това лято посетих университета Яншан в Китай, където получих още един почетен професор и там посетих основателя на цялата тази теория. Ние разработихме тази теория.

Ето таблица, която показва как изчислените дефиниции за твърдост са в съответствие с експеримента. За повечето нормални вещества съгласието е отлично, но за графита моделите прогнозираха, че трябва да бъде свръхтвърд, което очевидно е погрешно. Успяхме да разберем и поправим тази грешка. И сега, с този модел, можем надеждно да предвидим твърдостта за всяко вещество и можем да зададем на компютъра следния въпрос: кое е най-твърдото вещество? Възможно ли е да се надмине диаманта по твърдост? Хората всъщност мислят за това от много, много десетилетия. И така, каква е най-твърдата структура на въглерода? Отговорът беше обезкуражаващ: диамант и не може да има нищо по-твърдо във въглерода. Но можете да намерите структури от въглерод, които ще бъдат близки до диаманта по твърдост. Въглеродните структури, които са близки до диаманта по твърдост, наистина имат право да съществуват. И един от тях е този, който ви показах по-рано, с 5 и 7-членни канали. Дубровински през 2001 г. предложи в литературата свръхтвърдо вещество - титанов диоксид, смяташе се, че не е много по-нисък от диаманта по твърдост, но имаше съмнения. Експериментът беше доста противоречив. Почти всички експериментални измервания от тази работа бяха опровергани рано или късно: беше много трудно да се измери твърдостта поради малкия размер на пробите. Но изчислението показа, че твърдостта също е погрешно измерена в този експеримент, а реалната твърдост на титановия диоксид е около 3 пъти по-малка от това, което твърдят експериментаторите. Така че с помощта на този вид изчисления може дори да се прецени кой експеримент е надежден и кой не, така че тези изчисления вече са достигнали висока точност.

Има и друга история, свързана с въглерода, която бих искал да ви разкажа – тя беше особено насилствена през последните 6 години. Но това започна преди 50 години, когато американски изследователи проведоха такъв експеримент: взеха графит и го компресираха до налягане от около 150-200 хиляди атмосфери. Ако графитът се компресира при високи температури, той трябва да се превърне в диамант, най-стабилната форма на въглерод при високо налягане, така се синтезира диамантът. Ако направите този експеримент при стайна температура, тогава диамантът не може да се образува. Защо? Тъй като пренареждането на структурата, което е необходимо за превръщането на графита в диамант, е твърде голямо, тези структури са твърде различни и енергийната бариера, която трябва да бъде преодоляна, е твърде голяма. И вместо образуването на диамант, ще наблюдаваме образуването на някаква друга структура, не най-стабилната, но тази с най-ниска бариера за образуване. Ние предложихме такава структура - и я нарекохме М-въглерод, това е същата структура с 5- и 7-членни пръстени; моите арменски приятели го наричат ​​шеговито "mcarbon-shmugler". Оказа се, че тази структура напълно описва резултатите от този експеримент преди 50 години и опитът се повтаря многократно. Експериментът, между другото, е много красив – чрез компресиране на графит (черен, мек непрозрачен полуметал) при стайна температура, под налягане, изследователите получиха прозрачен свръхтвърд неметал: абсолютно фантастична трансформация! Но това не е диамант, неговите свойства не са съгласни с диаманта и нашата тогавашна хипотетична структура описва напълно свойствата на това вещество. Бяхме много щастливи, написахме статия и я публикувахме в престижното списание Physical Review Letters и почивахме на лаврите си точно една година. Година по-късно американски и японски учени откриха нова структура, напълно различна от нея, тази, с 4- и 8-членни пръстени. Тази структура е напълно различна от нашата, но описва почти толкова добре експерименталните данни. Проблемът е, че експерименталните данни бяха с ниска разделителна способност и много други структури бяха подходящи за тях. Минаха още шест месеца, китаец на име Уанг предложи W-въглерод, а W-въглеродът също обясни експерименталните данни. Скоро историята стана гротескна - нови китайски групи се присъединиха и китайците обичат да продуцират, и те щамповат около 40 структури и всички отговарят на експерименталните данни: P-, Q-, R-, S-carbon, Q-carbon , X -, Y-, Z-въглерод, M10-въглерод е известен, X'-въглерод и така нататък - дори азбуката не е достатъчна. И така, кой е прав? Най-общо казано, нашият M-carbon в началото имаше точно същото право да претендира, че е прав като всички останали.

Отговор от публиката:Всички са прави.

Артем Оганов:Това също не се случва! Факт е, че природата винаги избира екстремни решения. Не само хората са екстремисти, но и природата е екстремистка. При високи температури природата избира най-стабилното състояние, защото при високи температури можете да преминете през всяка енергийна бариера, а при ниски температури природата избира най-малката бариера и може да има само един победител. Може да има само един шампион - но кой точно? Можете да направите експеримент с висока разделителна способност, но хората се опитват от 50 години и никой не е успял, всички резултати са с лошо качество. Можете да направите изчислението. И при изчислението би било възможно да се вземат предвид бариерите за активиране пред образуването на всички тези 40 структури. Но, първо, китайците все още създават нови и нови структури и колкото и да се опитвате, все пак ще има някои китайци, които ще кажат: Имам още една структура и ще ги броите до края на живота си бариери за активиране, докато не бъдете изпратени на заслужена почивка. Това е първата трудност. Втората трудност е, че е много, много трудно да се преброят бариерите за активиране в твърдотелни трансформации, това е изключително нетривиална задача, необходими са специални методи и мощни компютри. Факт е, че тези трансформации не се случват в целия кристал, а първо в малък фрагмент - ембриона, а след това се разпространява до ядрото и по-нататък. А моделирането на този ембрион е изключително трудна задача. Но ние открихме такъв метод, метод, който беше разработен по-рано от австрийски и американски учени, и го адаптирахме към нашата задача. Успяхме да модифицираме този метод по такъв начин, че с един удар успяхме да решим този проблем веднъж завинаги. Поставихме проблема по следния начин: ако започнете с графит, твърдо кодирано първоначално състояние и крайното състояние е дадено неясно - всяка тетраедрична, sp3-хибридизирана форма на въглерод (и това са състоянията, които очакваме под налягане), тогава коя от бариерите ще бъде минимална? Този метод може да брои бариерите и да намери минималната бариера, но ако зададем крайното състояние като ансамбъл от различни структури, тогава можем да решим проблема напълно. Започнахме изчислението с трансформацията графит-диамант като "семка", знаем, че тази трансформация не се наблюдава в експеримента, но се чудехме какво ще направи изчислението с тази трансформация. Изчакахме малко (всъщност това изчисление отне половин година на суперкомпютър) - и вместо диамант, изчислението ни даде М-въглерод.

Като цяло, трябва да кажа, аз съм изключително щастлив човек, имах 1/40 шансове за печалба, защото имаше около 40 структури, които имаха равни шансове за печалба, но аз отново извадих лотариен билет. Нашият M-carbon спечели, ние публикувахме резултатите си в престижното ново списание Scientific Reports, новото списание на групата Nature, и месец след като публикувахме нашите теоретични резултати, резултатите от експеримент с висока разделителна способност бяха публикувани в същото списание , за първи път от 50 години. Изследователите от Йейлския университет направиха експеримент с висока разделителна способност и тестваха всички тези структури и се оказа, че само М-въглеродът удовлетворява всички експериментални данни. И сега в списъка на въглеродните форми има още един експериментално и теоретично установен въглероден алотроп, М-въглерод.

Ще спомена още една алхимична трансформация. Под натиск се очаква всички вещества да се превърнат в метал, рано или късно всяко вещество ще стане метал. И какво ще се случи с веществото, което първоначално вече беше метал? Например натрий. Натрият изобщо не е просто метал, а удивителен метал, описан от модела на свободните електрони, тоест е краен случай на добър метал. Какво се случва, ако изстискате натрий? Оказва се, че натрият вече няма да е добър метал - отначало натрият ще се превърне в едномерен метал, тоест електричеството ще провежда само в една посока. При по-високи налягания предсказахме, че натрият ще загуби изцяло своята металност и ще се превърне в червеникав прозрачен диелектрик и ако налягането се увеличи още повече, ще стане безцветен като стъкло. И така – вземаш сребрист метал, стискаш го – отначало се превръща в лош метал, черен като въглища, стискаш по-нататък – превръща се в червеникав прозрачен кристал, който прилича на рубин, а след това става бял като стъкло. Ние предвидихме това и списанието Nature, където го изпратихме, отказа да го публикува. Редакторът върна текста в рамките на няколко дни и каза: не вярваме, твърде екзотично е. Намерихме експериментатор, Михаил Еремец, който беше готов да тества тази прогноза и ето резултата. При 110 гигапаскала, това е 1,1 милиона атмосфери, той все още е сребрист метал, при 1,5 милиона атмосфери е лош метал като смола. При 2 милиона атмосфери той е прозрачен червеникав неметал. И вече с този експеримент публикувахме резултатите си много лесно. Между другото, това е доста екзотично състояние на материята, тъй като електроните вече не са разпръснати в пространството (както в металите) и не са локализирани върху атоми или връзки (както в йонни и ковалентни вещества) - валентни електрони, които осигуряват металност до натрий, са уловени в празно пространство, където няма атоми, и са много силно локализирани. Такова вещество може да се нарече електрод, т.е. сол, където ролята на отрицателно заредените йони, аниони, се играе не от атоми (да речем, флуор, хлор, кислород), а от снопове с електронна плътност, а нашата форма на натрий е най-простият и поразителен пример за известен електрод .

Такива изчисления могат да се използват и за разбиране на същността на вътрешността на Земята и планетата. За състоянието на земните недра научаваме основно от косвени данни, от сеизмологични данни. Знаем, че има метално ядро ​​на Земята, състоящо се главно от желязо, и неметална обвивка, състояща се от магнезиеви силикати, наречена мантия, а близо до самата повърхност има тънка земна кора, върху която живеем, и което знаем много добре. Добре. А вътрешността на Земята е почти напълно непозната за нас. Чрез директно тестване можем да изследваме само самата повърхност на Земята. Най-дълбокият кладенец е Kola Superdeep, неговата дълбочина е 12,3 километра, пробита в СССР, никой не можеше да пробие по-нататък. Американците се опитаха да пробият, фалираха по този проект и го спряха. В СССР бяха инвестирани огромни суми, пробиха до 12 километра, след това настъпи перестройка и проектът беше замразен. Но радиусът на Земята е 500 пъти по-голям и дори супер дълбокият кладенец Кола пробива само самата повърхност на планетата. Но субстанцията на земните дълбини определя лицето на Земята: земетресения, вулканизъм, континентален дрейф. Магнитното поле се образува в ядрото на Земята, което никога няма да достигнем. Конвекцията на разтопеното външно ядро ​​на Земята е отговорна за образуването на магнитното поле на Земята. Между другото, вътрешното ядро ​​на Земята е твърдо, а външното е разтопено, като шоколадов бонбон с разтопен шоколад, а вътре е орех – така може да се представи ядрото на Земята. Конвекцията на твърдата мантия на Земята е много бавна, скоростта й е около 1 сантиметър годишно; по-горещите потоци се изкачват, по-студените се спускат надолу и това е конвективното движение на земната мантия и е отговорно за континенталния дрейф, вулканизъм, земетресения.

Важен въпрос е каква е температурата в центъра на Земята? Знаем налягането от сеизмологичните модели, но тези модели не дават температура. Температурата се определя по следния начин: знаем, че вътрешното ядро ​​е твърдо, външното е течно и че ядрото е направено от желязо. Така че, ако знаете точката на топене на желязото на тази дълбочина, тогава знаете температурата на сърцевината на тази дълбочина. Бяха направени експерименти, но те дадоха несигурност от 2 хиляди градуса и бяха направени изчисления и изчисленията сложиха край на този проблем. Температурата на топене на желязото на границата на вътрешното и външното ядро ​​беше около 6,4 хиляди градуса по Келвин. Но когато геофизиците научиха за този резултат, се оказа, че тази температура е твърде висока, за да възпроизведе правилно характеристиките на магнитното поле на Земята – тази температура е твърде висока. И тогава физиците си спомниха, че всъщност ядрото не е чисто желязо, а съдържа различни примеси. Какво, все още не знаем точно, но сред кандидатите са кислород, силиций, сяра, въглерод, водород. Чрез вариране на различни примеси, сравняване на техните ефекти, беше възможно да се разбере, че точката на топене трябва да се понижи с около 800 градуса. 5600 градуса по Келвин е такава температура на границата на вътрешното и външното ядро ​​на Земята и тази оценка в момента е общоприета. Този ефект на понижаване на температурата от примеси, евтектичното понижаване на точката на топене е добре известен, поради този ефект страдат нашите обувки през зимата - пътищата се поръсват със сол, за да се понижи точката на топене на снега и поради този, твърд сняг, лед се превръща в течно състояние и нашите обувки страдат от тази солена вода.

Но може би най-мощният пример за същото явление е сплавта на Ууд - сплав, която се състои от четири метала, има бисмут, олово, калай и кадмий, всеки от тези метали има относително висока точка на топене, но ефектът от взаимното понижаване на точката на топене работи толкова силно, че сплавта на Ууд се топи във вряща вода. Кой иска да направи това преживяване? Между другото, купих тази проба от сплав на Ууд в Ереван на черния пазар, което вероятно ще придаде на това преживяване допълнителен вкус.

Налейте вряла вода и аз ще държа сплавта на Ууд и ще видите как капките от сплавта на Ууд ще паднат в чашата.

Капки падат - стига. Топи се при температура на гореща вода.

И този ефект се случва в ядрото на Земята, поради което температурата на топене на желязната сплав намалява. Но сега следващият въпрос е: от какво се състои ядрото? Знаем, че има много желязо и някои леки елементи-примеси, имаме 5 кандидати. Започнахме с най-малко вероятните кандидати, въглерод и водород. Трябва да кажа, че доскоро малко хора обръщаха внимание на тези кандидати, и двете се смятаха за малко вероятни. Решихме да го проверим. Заедно със служител на Московския държавен университет Зулфия Бажанова решихме да се заемем с тази задача, да предвидим стабилните структури и стабилните състави на железните карбиди и хидриди в условията на земното ядро. Направихме това и за силиция, където не открихме никакви специални изненади - а за въглерода се оказа, че онези съединения, които се смятаха за стабилни в продължение на много десетилетия, всъщност се оказват нестабилни при натиска на земното ядро. И се оказва, че въглеродът е много добър кандидат, всъщност само въглеродът може да обясни перфектно много свойства на вътрешното ядро ​​на Земята, противно на предишната работа. Водородът, от друга страна, се оказа доста лош кандидат; нито едно свойство на земното ядро ​​не може да се обясни само с водород. Водородът може да присъства в малки количества, но не може да бъде основният примесен елемент в земното ядро. За водородните хидриди под налягане открихме изненада – оказа се, че има стабилно съединение с формула, която противоречи на училищната химия. Един нормален химик ще напише формулите на водородните хидриди като FeH 2 и FeH 3 , най-общо казано, FeH също се появява под налягане и те се примиряват с това - но фактът, че FeH 4 може да се появи под налягане, беше истинска изненада. Ако децата ни в училище запишат формулата FeH 4, гарантирам, че ще получат A по химия, най-вероятно дори след една четвърт. Но се оказва, че под натиск се нарушават правилата на химията - и се появяват такива екзотични съединения. Но, както казах, малко вероятно е железните хидриди да са важни за вътрешността на Земята, малко вероятно е водородът да присъства там в значителни количества, но най-вероятно е налице въглерод.

И накрая, последната илюстрация, за мантията на Земята, или по-скоро за границата между ядрото и мантията, така наречения D слой, който има много странни свойства. Едно от свойствата е анизотропията на разпространението на сеизмични вълни, звукови вълни: във вертикална посока и в хоризонтална посока скоростите се различават значително. Защо е така? Дълго време не можех да разбера. Оказва се, че в слоя на границата на земното ядро ​​и мантията се образува нова структура от магнезиев силикат. Успяхме да разберем това преди 8 години. В същото време ние и нашите японски колеги публикувахме 2 статии в Science and Nature, които доказаха съществуването на тази нова структура. Веднага се вижда, че тази структура изглежда напълно различно в различни посоки и свойствата й трябва да се различават в различни посоки – включително еластичните свойства, които са отговорни за разпространението на звуковите вълни. С помощта на тази структура беше възможно да се обяснят всички онези физически аномалии, които бяха открити и причиниха проблеми в продължение на много, много години. Дори успях да направя някои прогнози.

По-специално, по-малките планети като Меркурий и Марс няма да имат слой като D слоя. Няма достатъчно натиск за стабилизиране на тази структура. Също така беше възможно да се направи прогноза, че с охлаждането на Земята този слой трябва да расте, тъй като стабилността на постперовскита се увеличава с понижаване на температурата. Възможно е, когато Земята се е образувала, този слой изобщо да не е съществувал и да се е родил в ранната фаза на развитието на нашата планета. И сега всичко това може да се разбере благодарение на прогнозите за нови структури на кристални вещества.

Отговор от публиката:Благодарение на генетичния алгоритъм.

Артем Оганов:Да, въпреки че тази последна история за постперовскита предшества изобретяването на този еволюционен метод. Между другото, тя ме подтикна да измисля този метод.

Отговор от публиката:Така че този генетичен алгоритъм е на 100 години, те просто не са направили нищо там.

Артем Оганов:Този алгоритъм е създаден от мен и моя аспирант през 2006 г. Между другото, да го наречем "генетичен" е погрешно, по-правилното име е "еволюционно". Еволюционните алгоритми се появяват през 70-те години и са намерили приложение в много области на технологиите и науката. Например колите, корабите и самолетите се оптимизират с помощта на еволюционни алгоритми. Но за всяка нова задача еволюционният алгоритъм е напълно различен. Еволюционните алгоритми не са един метод, а огромна група от методи, цяла огромна област от приложна математика и за всеки нов тип проблем трябва да се измисли нов подход.

Отговор от публиката:Каква математика? Това е генетика.

Артем Оганов:Не е генетика, а математика. И за всяка нова задача трябва да измислите своя нов алгоритъм от нулата. И хората всъщност се опитаха да измислят еволюционни алгоритми преди нас и да ги адаптират, за да предскажат кристални структури. Но те приемаха алгоритмите от други области твърде буквално - и това не работи, така че трябваше да създадем нов метод от нулата и той се оказа много мощен. Въпреки че областта на еволюционните алгоритми съществува приблизително толкова дълго, колкото и аз, поне от 1975 г., прогнозирането на кристалната структура изисква доста усилия, за да се създаде работен метод.

Всички тези примери, които ви дадох, показват как разбирането на структурата на материята и способността да се предскаже структурата на материята водят до проектирането на нови материали, които могат да имат интересни оптични свойства, механични свойства, електронни свойства. Материали, които изграждат вътрешността на Земята и други планети. В този случай можете да решите цяла гама от интересни задачи на компютър, като използвате тези методи. Огромен принос за разработването на този метод и неговото приложение направиха моите служители и повече от 1000 потребители на нашия метод в различни части на света. Позволете ми искрено да благодаря на всички тези хора и на организаторите на тази лекция, а на вас – за вниманието.

Дискусия на лекцията

Борис Долгин:Благодаря много! Много благодаря, Артем, много благодаря на организаторите, които ни дадоха платформа за тази версия на публични лекции, много благодаря на RVC, който ни подкрепи в тази инициатива, сигурен съм, че изследванията на Артьом ще продължат, които означава, че ще имаме нов материал за неговата лекция, тук , защото трябва да се каже, че част от казаното днес всъщност не е съществувало по време на предишните лекции, така че има смисъл.

Въпрос от залата:Кажете ми, моля, как да осигуря стайна температура при такова високо налягане? Всяка система на пластична деформация е придружена от отделяне на топлина. За съжаление не го казахте.

Артем Оганов:Факт е, че всичко зависи от това колко бързо компресирате. Ако компресията се извършва много бързо, например при ударни вълни, тогава тя непременно е придружена от нагряване, рязкото компресиране непременно води до повишаване на температурата. Ако извършвате компресията бавно, тогава пробата има достатъчно време да обмени топлина с околната среда и да влезе в топлинно равновесие с околната среда.

Въпрос от залата:И вашата настройка ви позволява да направите това?

Артем Оганов:Експериментът не беше проведен от мен, аз направих само изчисления и теория. Не си позволявам да експериментирам заради вътрешна цензура. И експериментът е проведен в камери с диамантени наковални, където проба е притисната между два малки диаманта. При подобни експерименти пробата има толкова много време да достигне топлинно равновесие, че въпросът не възниква тук.

- Нека се заемем с компютърното проектиране на нови материали. Първо, какво е това? Област на знанието? Кога се появява идеята и този подход?

— Районът е съвсем нов, само на няколко години. Само по себе си, компютърното проектиране на нови материали е мечта на изследователи, технолози и фундаментални учени от много десетилетия. Защото процесът на откриване на нов материал с нужните ви свойства обикновено отнема много години или дори десетилетия работа на цели институти и лаборатории. Това е много скъп процес, в края на който може да останете разочаровани. Тоест не винаги можете да измислите такъв материал. Но дори когато постигнете успех, успехът може да отнеме много години работа. Това сега изобщо не ни устройва, искаме да измисляме нови материали, нови технологии възможно най-бързо.

- Можете ли да дадете пример за такъв материал, който не може или не може да бъде измислен?

- Разбира се. Например, в продължение на много десетилетия хората се опитват да измислят материал, по-твърд от диаманта. Има стотици публикации по тази тема. В някои от тях хората твърдяха, че са намерили материал, по-твърд от диаманта, но след това неизбежно, след известно време (обикновено не много дълго), тези твърдения бяха опровергани и се оказа, че това е илюзия. До момента такъв материал не е открит и е съвсем ясно защо. С помощта на нашите методи успяхме да покажем, че това е принципно невъзможно, така че няма време за губене.

- И ако се опиташ просто да обясниш защо не?

- Свойство като твърдост има ограничена граница за всеки даден материал. Ако вземем всички материали, които е възможно да вземем, тогава се оказва, че има определена глобална горна граница. Случва се така, че тази горна граница съответства на диамант. Защо диамант? Тъй като в тази структура едновременно са изпълнени няколко условия: много силни химически връзки, много висока плътност на тези химични връзки и те са равномерно разпределени в пространството. Няма една посока, която да е много по-твърда от другата, тя е много твърда субстанция във всички посоки. Същият графит, например, има по-силни връзки от диаманта, но всички тези връзки са разположени в една и съща равнина и много слабите връзки взаимодействат между равнините и тази слаба посока прави целия кристал мек.

- Как се развива методът и как учените се опитват да го подобрят?

- Великият Едисон каза, според мен, във връзка с изобретението си на крушката с нажежаема жичка: "Не съм се провалил десет хиляди пъти, а само намерих десет хиляди начина, които не работят." Това е традиционният стил на търсене на нови материали, който в научната литература се нарича Едисонов. И, разбира се, хората винаги са искали да се отдалечат от този метод, защото той изисква рядък едисонов късмет и едисоново търпение. И много време, както и пари. Този метод не е много научен, по-скоро е научен "муцване". И хората винаги са искали да се измъкнат от него. Когато се появиха компютрите и започнаха да решават повече или по-малко сложни проблеми, веднага възникна въпросът: „Могат ли всички тези комбинации от различни условия, температури, налягания, химически потенциали, химичен състав да се сортират на компютър, вместо да се правят в лаборатория ?” В началото очакванията бяха много високи. Хората гледаха на това малко оптимистично и еуфорично, но скоро всички тези мечти се разбиха в ежедневието. С методите, с които хората се опитваха да решат проблема, по принцип нищо не може да се постигне.

- Защо?

„Защото има безкрайно много възможности за различни подреждания на атомите в структурата на кристала и всеки от тях ще има напълно различни свойства. Например диамантът и графитът са едно и също вещество и поради факта, че структурата е различна, техните свойства са коренно различни. Така че може да има безкраен брой различни опции, които се различават както от диаманта, така и от графита. с какво ще започнете? къде ще спреш? Колко ще продължи? И ако въведете и променлива на химическия състав, тогава можете също да измислите безкраен брой различни химически състави и задачата става непоносимо трудна. Много бързо хората разбраха, че традиционните, стандартни методи за решаване на този проблем не водят до абсолютно нищо. Този песимизъм напълно погреба първите надежди, които хората са хранили от 60-те години на миналия век.

— Компютърният дизайн все още се замисля или поне се усеща като визуално нещо. Както разбирам, през 60-те, 70-те или 80-те години това все още не е визуално решение, а математическо, тоест е по-бързо изчисление, изчисление.

- Както разбирате, когато получите числа на компютър, винаги можете да ги визуализирате, но това не е единственото нещо.

- Като цяло става въпрос само за готовността на техниката да направи това.

- Да. Числовото броене е основно, защото винаги можете да направите картина от числа и вероятно можете да направите числа от картина също, макар и не много точни. Имаше редица известни публикации от средата на 80-те до средата на 90-те, които най-накрая насадиха песимизъм в нашата област. Например, имаше прекрасна публикация, която казваше, че дори такива прости вещества като графит или лед са абсолютно невъзможни за прогнозиране. Или имаше статия, наречена „Пресказуеми ли са кристалните структури“ и първата дума на тази статия беше „не“.

Какво означава "предвидим"?

— Задачата за прогнозиране на кристалната структура е ядрото на цялата област на проектиране на нови материали. Тъй като структурата определя свойствата на веществото, за да се предскаже вещество с желаните свойства, трябва да се предвиди съставът и структурата. Проблемът за прогнозиране на кристалната структура може да бъде формулиран по следния начин: да предположим, че сме дали химичния състав, да предположим, че е фиксиран, например въглерод. Коя ще бъде най-стабилната форма на въглерод при дадени условия? При нормални условия знаем отговора – ще бъде графит; при високо налягане също знаем отговора - това е диамант. Но създаването на алгоритъм, който може да ви даде това, се оказва много трудна задача. Или можете да формулирате проблема по различен начин. Например за същия въглерод: коя би била най-твърдата структура, съответстваща на този химичен състав? Оказва се диамант. Сега нека зададем друг въпрос: кое ще бъде най-плътното? Изглежда, че също е диамант, но не. Оказва се, че може да се измисли форма на въглерод, по-плътна от диаманта, поне на компютър и по принцип може да бъде синтезирана. Освен това има много такива хипотетични форми.

- Дори и така?

- Дори и така. Но нищо не е по-твърдо от диамант. Хората се научиха да получават отговори на подобни въпроси съвсем наскоро. Съвсем наскоро се появиха алгоритми, появиха се програми, които могат да направят това. В този случай всъщност цялата тази област на изследване се оказа свързана с нашата работа през 2006 г. След това много други изследователи също започнаха да се занимават с този проблем. Като цяло все още не губим дланта и измисляме все повече методи, нови и нови материали.

- "Кои сме ние?

— Това съм аз и моите студенти, аспиранти и изследователи.

— За да стане ясно, тъй като „ние“ е толкова многозначно, в случая полисемантично, може да се възприема по различни начини. Какво е толкова революционно?

— Факт е, че хората разбраха, че тази задача е свързана с безкрайно сложен комбинаторен проблем, тоест броят на опциите, сред които трябва да изберете най-доброто, е безкраен. Как може да бъде решен този проблем? Няма начин. Можете просто да не се приближавате до нея и да се чувствате комфортно. Но ние открихме начин, по който този проблем може да бъде решен доста ефективно – начин, основан на еволюцията. Това, може да се каже, е метод на последователни приближения, когато от първоначално слаби решения по метода на последователното усъвършенстване се стига до все по-съвършени решения. Можем да кажем, че това е метод на изкуствен интелект. Изкуственият интелект, който прави редица предположения, отхвърля някои от тях и конструира още по-интересни от най-правдоподобните, най-интересните структури и композиции. Тоест, той се учи от собствената си история, поради което може да се нарече изкуствен интелект.

- Бих искал да разбера как измисляте, измисляте нови материали на конкретен пример.

— Нека се опитаме да го опишем на примера на същия въглерод. Искате да предскажете коя форма на въглерод е най-твърда. Посочени са малък брой произволни въглеродни структури. Някои структури ще се състоят от дискретни молекули, като фулерени; някои структури ще се състоят от слоеве, като графит; някои ще се състоят от въглеродни вериги, така наречените карабини; някои ще бъдат триизмерно свързани, като диамант (но не само диамант, има безкраен брой такива структури). Първо генерирате такива структури на случаен принцип, след това правите локална оптимизация или това, което ние наричаме "релаксация". Тоест, вие премествате атомите, докато получената сила върху атома е нула, докато всички напрежения в структурата изчезнат, докато не влезе в идеалната си форма или не вземе най-добрата си локална форма. И за тази структура изчислявате свойства, като твърдост. Нека да разгледаме твърдостта на фулерените. Има силни връзки, но само вътре в молекулата. Самите молекули са много слабо свързани помежду си, поради което твърдостта е почти нула. Вижте графита - същата история: силни връзки в слоя, слаби между слоевете и в резултат на това веществото се разпада много лесно, твърдостта му ще бъде много малка. Вещества като фулерени или карабини или графит ще бъдат много меки и ние веднага ги отхвърляме. Останалите въглеродни структури са триизмерно свързани, имат силни връзки и в трите измерения, от тези структури избираме най-твърдите и им даваме възможност да произвеждат дъщерни структури. Как изглежда? Взимаме една конструкция, вземаме друга структура, изрязваме парчетата им, сглобяваме ги заедно, като в конструктор и отново се отпускаме, тоест даваме възможност всички напрежения да изчезнат. Има мутации - това е друг начин за производство на потомство от родителите. Взимаме една от най-здравите структури и я мутираме, например прилагаме огромно напрежение на срязване, така че някои връзки просто се спукат там, докато други, нови, се образуват. Или изместваме атомите в най-слабите посоки на структурата, за да премахнем тази слабост от системата. Ние отпускаме всички структури, произведени по този начин, тоест премахваме вътрешните напрежения и след това отново оценяваме свойствата. Случва се да вземем твърда структура, да я мутираме и тя стане мека, превърна се в, да речем, графит. Незабавно премахваме тази структура. И от тези, които са твърди, ние отново произвеждаме „деца“. И така повтаряме стъпка по стъпка, поколение след поколение. И достатъчно бързо стигаме до диаманта.

- В същото време моментите, в които отхвърляме, сравняваме, свързваме и променяме структурата, правим изкуствен интелект, прави ли програмата? Не е човек?

- Програмата го прави. Ако направихме това, щяхме да се окажем в Кашченко, защото това е огромен брой операции, които човек не трябва да прави и по напълно научни причини. Разбирате, човек се ражда, попива опит от околния свят и с този опит идва един вид предразсъдъци. Виждаме симетрична структура – ​​казваме: „Това е добре“; виждаме асиметрично - казваме: "Това е лошо." Но за природата понякога е точно обратното. Нашият метод трябва да бъде свободен от човешка субективност и предразсъдъци.

- Правилно ли разбирам от това, което описахте, че по принцип тази задача се формулира не толкова от фундаменталната наука, колкото от решаването на съвсем конкретни задачи, поставени от някаква редовна транснационална компания? Тук се нуждаем от нов цимент, за да бъде по-вискозен, по-плътен или, обратно, по-течен и т.н.

- Въобще не. Всъщност аз произлязох от фундаменталната наука в образованието си, учих фундаментални науки, а не приложни науки. Сега се интересувам от решаване на приложни проблеми, особено след като методологията, която изобретих, е приложима за най-важните приложни проблеми от много широк спектър. Но първоначално този метод е изобретен за решаване на основни проблеми.

- Какъв тип?

— Изучавам физика и химия на високо налягане от дълго време. Това е област, в която експериментално са направени много интересни открития. Но експериментите са сложни и много често експерименталните резултати се оказват грешни с течение на времето. Експериментите са скъпи и отнемат време.

- Дай пример.

- Например, дълго време имаше надпревара между съветски и американски учени: кой ще получи първия метален водород под налягане. Тогава се оказа, например, че много прости елементи под налягане стават (това е такава алхимична трансформация) преходен метал. Например, вие вземете калий: калият има само един s-електрон върху валентната обвивка и така под налягане се превръща в d-елемент; S-орбитала се изпразва и незаетата d-орбитала се заселва от този единичен електрон. И това е много важно, защото калият, превръщайки се в преходен метал, след това получава възможност да влезе, например, в течно желязо. Защо е важно? Защото сега вярваме, че калият в малки количества е част от ядрото на Земята и там е източник на топлина. Факт е, че един от изотопите на калия (радиоактивен калий-40) е един от основните производители на топлина на Земята днес. Ако калият не е включен в земното ядро, тогава трябва напълно да променим разбирането си за възрастта на живота на Земята, възрастта на магнитното поле, историята на земното ядро ​​и много други интересни неща. Ето една алхимична трансформация – s-елементите стават d-елементи. При високо налягане, когато компресирате материята, енергията, която изразходвате за компресия, рано или късно ще надхвърли енергията на химичните връзки и енергията на междуорбиталните преходи в атомите. И благодарение на това можете радикално да промените електронната структура на атома и вида на химическата връзка във вашето вещество. Могат да възникнат напълно нови видове вещества. И стандартната химическа интуиция не работи в такива случаи, тоест правилата, които научаваме от училищната скамейка в уроците по химия, те летят в ада, когато налягането достигне достатъчно големи стойности. Мога да ви кажа какви неща са били предвидени по нашия метод и след това експериментално доказани. Когато се появи този метод, той стана шок за всички. Една от най-интересните работи беше свързана с елемента натрий. Предсказахме, че ако компресираме натрия до налягане от около 2 милиона атмосфери (между другото, налягането в центъра на Земята е почти 4 милиона атмосфери и такива налягания могат да бъдат получени експериментално), той вече няма да е метал , но диелектрик, освен това, прозрачни и червени цветове. Когато направихме тази прогноза, никой не ни повярва. Списанието Nature, на което изпратихме тези резултати, дори отказа да разгледа тази статия, те казаха, че е невъзможно да се повярва в нея. Свързах се с експериментаторите от групата на Михаил Еремец, които също ми казаха, че е невъзможно да повярвам в това, но от уважение те все пак ще се опитат да проведат такъв експеримент. И този експеримент напълно потвърди нашите прогнози. Предсказана е структурата на новата фаза на елемента бор - най-твърдата структура за този елемент, едно от най-твърдите вещества, познати на човечеството. И там се оказа, че различните атоми на бор имат различен електрически заряд, тоест изведнъж стават различни: някои са положително заредени, други са отрицателно. Тази статия е цитирана почти 200 пъти само за три години.

Казахте, че това е основна задача. Или решавате основно основни проблеми и едва напоследък някои практически въпроси? История на натрия. За какво? Тоест седяхте и седяхте и мислехте какво да вземете - може би ще взема натрий и ще го компресирам в 2 милиона атмосфери?

- Не със сигурност по този начин. Получих стипендия за изследване на поведението на елементите под високо налягане, за да разбера по-добре химията на елементите. Експерименталните данни под високо налягане все още са много фрагментарни и ние решихме да преминем през повече или по-малко цялата периодична таблица, за да разберем как се променят елементите и тяхната химия под налягане. Публикуваме редица статии, по-специално за природата на свръхпроводимостта в кислорода под налягане, тъй като кислородът под налягане се превръща в свръхпроводник. За редица други елементи: алкални елементи или алкалоземни елементи и т.н. Но най-интересното вероятно беше откриването на нови явления в натрия и бора. Това бяха може би двата елемента, които ни изненадаха най-много. Така започнахме. И сега преминахме към решаване на практически проблеми, сътрудничим си с компании като Intel, Samsung, Fujitsu, Toyota, Sony. Toyota, доколкото знам, наскоро изобрети нов материал за литиеви батерии по нашия метод и ще пусне този материал на пазара.

- Взеха вашия метод, взеха технологията за търсене на материали, но не и вие?

- Разбира се. Ние не се налагаме в натоварването, но се опитваме да помогнем на всички изследователи. Нашата програма е достъпна за всеки, който иска да я използва. Компаниите трябва да плащат нещо за правото да използват програмата. А учените, работещи в академичните среди, го получават безплатно, като просто го изтеглят от нашия уебсайт. Нашата програма вече има почти 2 хиляди потребители по целия свят. И много се радвам, когато виждам, че нашите потребители постигат нещо добро. Аз, моята група, имам повече от достатъчно мои собствени открития, мои собствени произведения, мои собствени прозрения. Когато виждаме същото нещо в други групи, това само се радва.

Материалът е подготвен на базата на радиопрограмата "ПостНаука" на радиото Russian News Service.

Артем Оганов, един от най-цитираните теоретични минералози в света, ни разказа за компютърна прогноза, която наскоро стана постижима. По-рано този проблем не можеше да бъде решен, тъй като проблемът с компютърното проектиране на нови материали включва проблема с кристалните структури, който се смяташе за нерешим. Но благодарение на усилията на Оганов и неговите колеги те успяха да се доближат до тази мечта и да я превърнат в реалност.

Защо тази задача е важна: В миналото нови вещества се произвеждаха много дълго време и с много усилия.

Артем Оганов: „Експериментаторите отиват в лабораторията. Смесете различни вещества при различни температури и налягания. Вземете нови вещества. Измерете техните свойства. По правило тези вещества не представляват интерес и се изхвърлят. И експериментаторите отново се опитват да получат малко по-различно вещество при различни условия, с малко по-различен състав. И така, стъпка по стъпка, ние преодоляваме много неуспехи, прекарвайки години от живота си за това. Оказва се, че изследователите, с надеждата да получат един материал, харчат огромно количество усилия, време и пари. Този процес може да отнеме години. Може да се окаже задънена улица и никога да не доведе до откриването на желания материал. Но дори когато води до успех, този успех идва на много висока цена."

Следователно е необходимо да се създаде технология, която да прави прогнози без грешки. Тоест не да експериментира в лаборатории, а да даде задачата на компютъра да предвиди кой материал, с какъв състав и температура ще има желаните свойства при определени условия. А компютърът, сортирайки множество опции, ще може да отговори кой химичен състав и коя кристална структура ще отговаря на зададените изисквания. Резултатът може да бъде такъв, че желаният материал да не съществува. Или е и не е сам.
И тук възниква втори проблем, чието решение все още не е решено: как да получите този материал? Тоест химическият състав, кристалната структура е ясна, но все още няма начин да се приложи, например, в индустриален мащаб.

Технология за прогнозиране

Основното нещо, което трябва да се предвиди, е кристалната структура. Преди това не беше възможно да се реши този проблем, тъй като има много възможности за подреждане на атомите в пространството. Но по-голямата част от тях не представляват интерес. Важни са онези варианти за подреждане на атомите в пространството, които са достатъчно стабилни и притежават необходимите за изследователя свойства.
Какви са тези свойства: висока или ниска твърдост, електрическа проводимост и топлопроводимост и т.н. Кристалната структура е важна.

„Ако мислите, да речем, за въглерода, погледнете диаманта и графита. Химически те са едно и също вещество. Но свойствата са напълно различни. Черен супер мек карбон и прозрачен супер твърд диамант - каква е разликата между тях? Това е кристалната структура. Благодарение на нея едната субстанция е свръхтвърда, а другата супермека. Единият е почти метален проводник. Другият е диелектрик."

За да се научи как да предскаже нов материал, първо трябва да се научи как да предскаже кристалната структура. За да направят това, Оганов и неговите колеги предложиха еволюционен подход през 2006 г.

„При този подход ние не се опитваме да изпробваме целия безкраен брой кристални структури. Ще опитаме стъпка по стъпка, като започнем с малка произволна извадка, в рамките на която класираме възможните решения, най-лошото от които изхвърляме. И от най-добрите произвеждаме детски варианти. Дъщерните варианти се получават чрез различни мутации или чрез рекомбинация - по наследственост, при което от двама родители комбинираме различни структурни особености на състава. От това се получава детска структура - детски материал, детски химичен състав, детска структура. След това тези детски съединения също се оценяват. Например от стабилност или от химичното или физическото свойство, което ви интересува. А тези, които бяха класирани неблагоприятно, изхвърляме. Тези, които обещават, получават правото да се размножават. Чрез мутация или наследственост ние произвеждаме следващото поколение."

И така, стъпка по стъпка учените се доближават до оптималния за тях материал по отношение на дадено физическо свойство. Еволюционният подход в този случай работи по същия начин като Дарвиновата теория на еволюцията, този принцип се осъществява от Оганов и неговите колеги на компютър при търсене на кристални структури, които са оптимални по отношение на дадено свойство или стабилност.

„Мога също да кажа (но това вече е малко на ръба на хулиганството), че когато разработихме този метод (между другото, разработката продължава. Той се подобрява все повече и повече), ние експериментирахме с различни начини на еволюция. Например, ние се опитахме да произведем едно дете не от двама родители, а от трима или четирима. Оказа се, че както в живота е оптимално да се роди едно дете от двама родители. Едно дете има двама родители - баща и майка. Не три, не четири, не двадесет и четири. Това е оптималното както в природата, така и на компютъра.”

Оганов патентова своя метод и сега той се използва от почти хиляди изследователи по света и няколко големи компании като Intel, Toyota и Fujitsu. Toyota, например, каза Оганов, използва този метод от известно време, за да изобрети нов материал за литиеви батерии, които да се използват в хибридни автомобили.

Проблем с диамантите

Смята се, че диамантът, като най-твърдият рекордьор, е оптималният свръхтвърд материал за всички приложения. Това обаче не е така, защото в желязото например се разтваря, но в кислородна среда гори при висока температура. Като цяло търсенето на материал, който би бил по-твърд от диаманта, тревожеше човечеството в продължение на много десетилетия.

„Просто компютърно изчисление, извършено от моята група, показва, че такъв материал не може да съществува. Всъщност само диамантът може да бъде по-твърд от диаманта, но в нанокристална форма. Други материали не могат да победят диаманта по отношение на твърдостта."

Друго направление на групата на Оганов е прогнозирането на нови диелектрични материали, които биха могли да послужат като основа за суперкондензатори за съхранение на електрическа енергия, както и за по-нататъшно миниатюризиране на компютърни микропроцесори.
„Тази миниатюризация всъщност е изправена пред препятствия. Тъй като наличните диелектрични материали могат да издържат доста лошо на електрически заряди. Те изтичат. И по-нататъшното миниатюризиране е невъзможно. Ако можем да получим материал, който се придържа към силиция, но в същото време има много по-висока диелектрична константа от материалите, които имаме, тогава можем да решим този проблем. И в тази посока имаме доста сериозен напредък.”

И последното, което прави Оганов, е разработването на нови лекарства, тоест и тяхното прогнозиране. Това е възможно благодарение на факта, че учените са се научили да предсказват структурата и химичния състав на повърхността на кристалите.

„Факт е, че повърхността на кристала често има химичен състав, който се различава от самото вещество на кристала. Структурата също много често е коренно различна. И открихме, че повърхностите на прости, привидно инертни оксидни кристали (като магнезиев оксид) съдържат много интересни йони (като пероксидния йон). Те също така съдържат групи, подобни на озона, състоящи се от три кислородни атома. Това обяснява едно изключително интересно и важно наблюдение. Когато човек вдишва фини частици от оксидни минерали, които на пръв поглед са инертни, безопасни и безвредни, тези частици изиграват жестока шега и допринасят за развитието на рак на белия дроб. По-специално, азбестът, който е изключително инертен, е известен като канцероген. Така че на повърхността на такива минерали като азбест и кварц (особено кварц) могат да се образуват пероксидни йони, които играят ключова роля в образуването и развитието на рак. Използвайки нашата техника, също така е възможно да се предвидят условията, при които би могло да се избегне образуването на такива частици. Тоест има надежда дори да се намери терапия и превенция на рак на белия дроб. В случая говорим само за рак на белия дроб. И по напълно неочакван начин резултатите от нашето изследване направиха възможно да се разбере и може би дори да се предотврати или излекува рак на белия дроб.

За да обобщим, прогнозирането на кристалните структури може да играе ключова роля в проектирането на материали както за микроелектрониката, така и за фармацевтичните продукти. Като цяло подобна технология открива нов път в технологиите на бъдещето, сигурен е Оганов.

Можете да прочетете за други области на лабораторията на Артем на връзката и да прочетете книгата му Съвременни методи за прогнозиране на кристалната структура

Същността на търсенето на най-стабилната структура се свежда до изчисляването на такова състояние на материята, което има най-ниска енергия. Енергията в този случай зависи от електромагнитното взаимодействие на ядрата и електроните на атомите, които изграждат изследвания кристал. Тя може да бъде оценена с помощта на квантовомеханични изчисления въз основа на опростено уравнение на Шрьодингер. Така алгоритъмът USPEX използва теория на функционалността на плътносттакойто е разработен през втората половина на миналия век. Основната му цел е да опрости изчисленията на електронната структура на молекулите и кристалите. Теорията позволява да се замени многоелектронната вълнова функция с електронната плътност, като остава формално точна (но всъщност приближенията се оказват неизбежни). На практика това води до намаляване на сложността на изчисленията и в резултат на това времето, което ще бъде изразходвано за тях. Така квантовомеханичните изчисления се комбинират с еволюционния алгоритъм в USPEX (фиг. 2). Как работи еволюционният алгоритъм?

Можете да търсите структури с най-ниска енергия чрез изброяване: подредете атомите на случаен принцип един спрямо друг и анализирайте всяко такова състояние. Но тъй като броят на опциите е огромен (дори ако има само 10 атома, тогава ще има около 100 милиарда възможности за тяхното подреждане един спрямо друг), изчислението ще отнеме твърде дълго. Затова учените успяха да постигнат успех само след като разработиха по-хитър метод. Алгоритъмът USPEX се основава на еволюционен подход (фиг. 2). Първо, произволно се генерират малък брой структури и се изчислява тяхната енергия. Опции с най-висока енергия, тоест най-малко стабилни, системата премахва, а от най-стабилните генерира подобни и вече ги изчислява. В същото време компютърът продължава да генерира на случаен принцип нови структури за поддържане на разнообразието на населението, което е съществено условие за успешна еволюция.

Така логиката, взета от биологията, помогна за решаването на проблема с прогнозирането на кристалните структури. Трудно е да се каже, че в тази система има ген, тъй като новите структури могат да се различават от своите предшественици по много различни начини. Най-приспособените към условията на подбор „индивиди” оставят потомство, тоест алгоритъмът, учейки се от грешките си, максимизира шансовете за успех при следващия опит. Системата доста бързо намира опцията с най-ниска енергия и ефективно изчислява ситуацията, когато структурна единица (клетка) съдържа десетки и дори първите стотици атоми, докато предишните алгоритми не можеха да се справят дори с десет.

Едно от новите предизвикателства пред USPEX в МФТИ е прогнозирането на третичната структура на протеините от тяхната аминокиселинна последователност. Този проблем на съвременната молекулярна биология е един от ключовите. Като цяло задачата пред учените е много трудна и защото е трудно да се изчисли енергията за такава сложна молекула като протеин. Според Артем Оганов неговият алгоритъм вече е в състояние да предскаже структурата на пептидите с дължина около 40 аминокиселини.

Видео 2. Полимери и биополимери.Какви вещества са полимери? Каква е структурата на полимера? Колко широко разпространено е използването на полимерни материали? За това говори професор, д-р по кристалография Артем Оганов.

USPEX Обяснение

В една от научнопопулярните си статии Артем Оганов (фиг. 3) описва USPEX по следния начин:

„Ето образен пример за демонстриране на общата идея. Представете си, че трябва да намерите най-високата планина на повърхността на непозната планета, където цари пълен мрак. За да пестим ресурси, е важно да разберем, че не се нуждаем от пълна релефна карта, а само от най-високата й точка.

Фигура 3. Артем Ромаевич Оганов

Приземявате малка сила от биороботи на планетата, изпращайки ги един по един на произволни места. Инструкцията, която всеки робот трябва да следва, е да върви по повърхността срещу силите на гравитационното привличане и в крайна сметка да достигне върха на най-близкия хълм, чиито координати трябва да съобщи на орбиталната база. Нямаме средства за голям изследователски контингент, а вероятността някой от роботите веднага да се изкачи на най-високата планина е изключително малка. Това означава, че е необходимо да се приложи добре познатият принцип на руската военна наука: „борете се не с числа, а с умение“, който се прилага тук под формата на еволюционен подход. Намирайки най-близкия съсед, роботите се срещат и възпроизвеждат себеподобните си, като ги поставят по линията между „своите“ върхове. Потомците на биороботите започват да следват същите инструкции: те се движат по посока на котата на релефа, изследвайки района между двата върха на своите „родители“. Тези „индивиди“, които са попаднали на пикове под средното ниво, се изтеглят (така се извършва подбора) и се приземяват отново на случаен принцип (така се моделира поддържането на „генетичното разнообразие“ на популацията)“ .

Как да преценим грешката, с която работи USPEX? Можете да вземете задача с правилния отговор, известен предварително, и да го решите независимо 100 пъти с помощта на алгоритъм. Ако се получи правилният отговор в 99 случая, тогава вероятността от грешка в изчислението ще бъде 1%. Обикновено правилните прогнози се получават с вероятност от 98–99%, когато броят на атомите в единична клетка е 40 броя.

Еволюционният алгоритъм на USPEX доведе до много интересни открития и дори до разработването на нова дозирана форма на медицински продукт, която ще бъде разгледана по-долу. Чудя се какво ще стане, когато се появят суперкомпютри от ново поколение? Ще се промени ли радикално алгоритъмът за прогнозиране на кристалните структури? Например, някои учени се занимават с разработването на квантови компютри. В бъдеще те ще бъдат много по-ефективни от най-модерните съвременни. Според Артем Оганов еволюционните алгоритми ще запазят водещата си позиция, но ще започнат да работят по-бързо.

Области на работа на лабораторията: от термоелектрика до лекарства

USPEX се оказа алгоритъм не само ефективен, но и многофункционален. В момента под ръководството на Артем Оганов се извършва много научна работа в различни области. Някои от най-новите проекти са опити за моделиране на нови термоелектрични материали и прогнозиране на структурата на протеините.

„Имаме няколко проекта, един от тях е изследването на нискоразмерни материали като наночастици, материални повърхности, Другият е изследването на химикали под високо налягане. Има още един интересен проект, свързан с прогнозиране на нови термоелектрични материали. Вече знаем, че адаптирането на метода за прогнозиране на кристалната структура, който измислихме, към проблемите на термоелектриците работи ефективно. В момента вече сме готови за голям пробив, чийто резултат трябва да бъде откриването на нови термоелектрични материали. Вече е ясно, че методът, който създадохме за термоелектрика, е много мощен, извършените тестове са успешни. И ние сме напълно готови да търсим наистина нови материали. Ние също така се занимаваме с прогнозиране и изследване на нови високотемпературни свръхпроводници. Задаваме си въпроса за прогнозиране на структурата на протеините. Това е ново предизвикателство за нас и много интересно.”

Интересното е, че USPEX вече се е възползвал дори от медицината: „Нещо повече, ние разработваме нови лекарства. По-специално, ние предвидихме, получихме и патентовахме ново лекарство,- казва А.Р. Оганов. - Това е 4-аминопиридин хидрат, лекарство за множествена склероза".

Става дума за наскоро патентовано от Валери Ройзен лекарство (фиг. 4), Анастасия Наумова и Артем Оганов, член на Лабораторията за проектиране на компютърни материали, което позволява симптоматично лечение на множествена склероза. Патентът е отворен, което ще помогне за намаляване на цената на лекарството. Множествената склероза е хронично автоимунно заболяване, тоест една от онези патологии, когато собствената имунна система на гостоприемника уврежда гостоприемника. Това уврежда миелиновата обвивка на нервните влакна, която обикновено изпълнява електроизолираща функция. Това е много важно за нормалното функциониране на невроните: токът през израстъците на нервните клетки, покрити с миелин, се извършва 5-10 пъти по-бързо, отколкото през непокритите. Тъй като множествената склероза води до нарушаване на нервната система.

Основните причини за множествена склероза остават неясни. Много лаборатории по света се опитват да ги разберат. В Русия това се прави от лабораторията по биокатализа към Института по биоорганична химия.

Фигура 4. Валери Ройзен - един от авторите на патент за лекарство за множествена склероза,служител на лабораторията по компютърно проектиране на материали, разработвайки нови лекарствени форми и активно ангажиран с популяризирането на науката.

Видео 3. Научно-популярна лекция на Валери Ройзен "Вкусни кристали".Ще научите за принципите на действие на лекарствата, значението на формата на доставяне на лекарството в човешкото тяло и злия брат близнак на аспирина.

Преди това 4-аминопиридинът вече беше използван в клиниката, но учените успяха да подобрят усвояването на това лекарство в кръвта чрез промяна на химичния състав. Получават кристален 4-аминопиридин хидрат (фиг. 5) със стехиометрия 1:5. В тази форма самото лекарство и методът за получаването му са патентовани. Веществото подобрява освобождаването на невротрансмитери в нервно-мускулните синапси, което улеснява чувствата на пациентите с множествена склероза. Струва си да се отбележи, че този механизъм включва лечението на симптомите, но не и самата болест. В допълнение към бионаличността, основният момент в новата разработка е следният: тъй като беше възможно да се „заключи“ 4-аминопиридин в кристал, той стана по-удобен за използване в медицината. Кристалните вещества са относително лесни за получаване в пречистена и хомогенна форма и свободата на лекарството от потенциално вредни примеси е един от ключовите критерии за добро лекарство.

Откриване на нови химични структури

Както бе споменато по-горе, USPEX ви позволява да намерите нови химически структури. Оказва се, че дори „обичайният“ въглерод има свои собствени мистерии. Въглеродът е много интересен химичен елемент, защото образува огромен набор от структури, вариращи от свръхтвърди диелектрици до меки полупроводници и дори свръхпроводници. Първите включват диамант и лонсдейлит, вторите - графит, а третите - някои фулерени при ниски температури. Въпреки голямото разнообразие от известни форми на въглерод, учените, ръководени от Артем Оганов, успяха да открият фундаментално нова структура: досега не беше известно, че въглеродът може да образува комплекси гост-домакин (фиг. 6). В работата участваха и служители на лабораторията по компютърно проектиране на материали (фиг. 7).

Фигура 7. Олег Фея, докторант на МФТИ, служител на лабораторията по компютърно проектиране на материали и един от авторите на откриването на нова въглеродна структура. В свободното си време Олег се занимава с популяризиране на науката: неговите статии могат да бъдат прочетени в публикациите „Котката на Шрьодингер“, „За науката“, STRF.ru, Rosatom Country. Освен това Олег е победител в Москва научен шлеми участник в телевизионното предаване "Най-умният".

Взаимодействието "гост-домакин" се проявява например в комплекси, състоящи се от молекули, които са свързани помежду си чрез нековалентни връзки. Тоест, определен атом/молекула заема определено място в кристалната решетка, но не образува ковалентна връзка с околните съединения. Това поведение е широко разпространено сред биологични молекули, които се свързват една с друга, за да образуват силни и големи комплекси, които изпълняват различни функции в нашето тяло. Като цяло имаме предвид съединения, състоящи се от два вида структурни елементи. За вещества, образувани само от въглерод, такива форми не са били известни. Учените публикуваха своето откритие през 2014 г., разширявайки познанията ни за свойствата и поведението на 14-та група химични елементи като цяло (фиг. 8) Заслужава да се отбележи, че в отворената форма на въглерода се образуват ковалентни връзки между атомите. Говорим за типа гост-домакин поради наличието на ясно дефинирани два вида въглеродни атоми, които имат напълно различни структурни среди.

Нова химия за високо налягане

В лабораторията по компютърно проектиране на материали те изучават кои вещества ще бъдат стабилни при високо налягане. Ето как ръководителят на лабораторията аргументира интерес към подобни изследвания: „Ние изучаваме материали под високо налягане, по-специално новата химия, която се появява при такива условия. Това е много необичайна химия, която не се вписва в правилата на традиционното. Натрупаните знания за новите съединения ще доведат до разбиране на това, което се случва вътре в планетите. Защото тези необичайни химикали могат да се окажат много важни материали във вътрешността на планетата.Трудно е да се предвиди как веществата се държат под високо налягане: повечето от химическите правила спират да действат, защото тези условия са много различни от това, с което сме свикнали. Независимо от това, това трябва да се разбере, ако искаме да знаем как работи Вселената. Лъвският дял от барионната материя на Вселената е под високо налягане вътре в планетите, звездите, спътниците. Изненадващо, много малко се знае за неговата химия.

Новата химия, която се прилага при високо налягане в лабораторията за компютърно проектиране на материали в МФТИ, се изучава от Габриеле Салех, доктор (степен, подобна на докторска степен):

„Аз съм химик и се интересувам от химия при високо налягане. Защо? Защото имаме правила на химията, които са формулирани преди 100 години, но наскоро се оказа, че спират да работят при високо налягане. И е много интересно! Това е като увеселителен парк: има феномен, който никой не може да обясни; изследването на ново явление и опитът да се разбере защо се случва е много интересно. Започнахме разговора с фундаментални неща. Но високото налягане съществува и в реалния свят. Разбира се, не в тази стая, а вътре в Земята и на други планети. .

Тъй като съм химик, се интересувам от химия при високо налягане. Защо? Защото имаме химически правила, които са установени преди сто години, но наскоро беше открито, че тези правила се нарушават при високо налягане. И е много интересно! Това е като лунопарк, защото имате феномен, който никой не може да рационализира. Интересно е да се изследва ново явление и да се опита да разбере защо се случва. Започнахме от фундаменталната гледна точка. Но тези високи налягания съществуват. Разбира се, не в тази стая, а във вътрешността на Земята и на други планети.

Фигура 9. Въглеродната киселина (H 2 CO 3) е структура, устойчива на налягане. Вмъкнат отгорепоказа това заедно C особразуват се полимерни структури. Изучаването на системата въглерод-кислород-водород под високо налягане е много важно за разбирането как са подредени планетите. H 2 O (вода) и CH 4 (метан) са основните съставки на някои планети-гиганти - например Нептун и Уран, където налягането може да достигне стотици GPa. Големите ледени спътници (Ганимед, Калисто, Титан) и комети също съдържат вода, метан и въглероден диоксид, които са подложени на налягане до няколко GPa.

Габриеле ни разказа за новата си работа, която наскоро беше приета за публикуване:

„Понякога се занимаваш с фундаментална наука, но след това намираш пряко приложение на придобитите знания. Например, наскоро изпратихме статия за публикуване, описваща резултатите от търсенето на всички стабилни съединения, произведени от въглерод, водород и кислород при високо налягане. Намерихме такъв, който е стабилен при много ниски налягания като 1 GPa. , и се оказа, че е въглеродна киселина H 2 CO 3(фиг. 9). Проучих литературата по астрофизика и открих, че луните на Ганимед и Калисто [луните на Юпитер] са съставени от вода и въглероден диоксид: молекули, които образуват въглеродна киселина. Така разбрахме, че нашето откритие предполага образуването на въглеродна киселина там. Ето за какво говорих: всичко започна с фундаментална наука и завърши с нещо важно за изучаването на спътници и планети. .

Имайте предвид, че такива налягания се оказват ниски в сравнение с тези, които по принцип могат да бъдат намерени във Вселената, но високи в сравнение с тези, които действат върху нас близо до повърхността на Земята.

Така че понякога изучавате нещо за фундаментална наука, но след това откривате, че има правилно приложение. Например, току-що представихме документ, в който взехме въглерод, водород, кислород при високо налягане и се опитахме да потърсим всички стабилни съединения. Намерихме един, който беше въглеродна киселина и беше стабилен при много ниско налягане като един гигапаскал. Проучвам астрофизичната литература и открих: има спътници като Ганимед или Калисто. Върху тях има въглероден диоксид и вода. Молекулите, които образуват тази въглеродна киселина. Така разбрахме, че това откритие означава, че вероятно ще има въглеродна киселина. Това имам предвид под започване за фундаментално и откриване на нещо, което е приложимо към планетарната наука.

Друг пример за необичайна химия, който може да бъде даден, се отнася до добре познатата готварска сол NaCl. Оказва се, че ако можете да поставите под налягане солницата си до 350 GPa, ще получите нови съединения. През 2013 г. под ръководството на А.Р. Оганов, беше показано, че ако се приложи високо налягане към NaCl, тогава необичайните съединения стават стабилни – например NaCl 7 (фиг. 10) и Na 3 Cl. Интересното е, че много от откритите вещества са метали. Габриеле Салех и Артем Оганов продължиха пионерската работа, в която показаха екзотичното поведение на натриевите хлориди под високо налягане и разработиха теоретичен модел, който може да се използва за прогнозиране на свойствата на съединенията на алкални метали с халогени.

Те описаха правилата, на които тези вещества се подчиняват при такива необичайни условия. Използвайки алгоритъма USPEX, няколко съединения с формула A 3 Y (A = Li, Na, K; Y = F, Cl, Br) теоретично бяха подложени на натиск до 350 GPa. Това доведе до откриването на хлоридни йони в окислено състояние -2. "Стандартната" химия забранява това. При такива условия могат да се образуват нови вещества, например с химичната формула Na 4 Cl 3.

Фигура 10. Кристална структура на обикновената NaCl сол ( наляво) и необичайното съединение NaCl 7 ( на дясно), стабилен под налягане.

Химията се нуждае от нови правила

Габриеле Салех (фиг. 11) говори за своето изследване, насочено към описване на нови правила на химията, които биха имали предсказваща сила не само при стандартни условия, но биха описвали поведението и свойствата на веществата под високо налягане (фиг. 12).

Фигура 11. Габриеле Салех

„Преди две или три години професор Оганов откри, че такава проста сол като NaCl не е толкова проста под високо налягане: натрият и хлорът могат да образуват и други съединения. Но никой не знаеше защо. Учените направиха изчисления, получиха резултати, но остана неизвестно защо всичко се случва по този начин, а не по друг начин. Изучавам химическо свързване още от висшето си училище и в хода на изследванията си успях да формулирам някои правила, които логично обясняват какво се случва. Проучих как се държат електроните в тези съединения и стигнах до общи модели, които са характерни за тях при високо налягане. За да проверя дали тези правила са плод на въображението ми или все още са обективно верни, предвидих структурите на подобни съединения – LiBr или NaBr, и още няколко подобни. Действително важат общите правила. Накратко, видях, че има тенденция, когато прилагате натиск върху такива фуги, те образуват двуизмерна метална конструкция, а след това едномерна. След това, под много високо налягане, започват да се случват по-диви неща, защото тогава хлорът ще има степен на окисление -2. Всички химици знаят, че хлорът има степен на окисление -1, това е типичен пример от учебника: натрият губи електрон, а хлорът го взема. Следователно, окислителните числа са съответно +1 и -1. Но при високо напрежение нещата не вървят по този начин. Ние показахме това с помощта на някои подходи за анализ на химичните връзки. Също така в хода на работата потърсих специална литература, за да разбера дали някой вече е наблюдавал подобни модели. И се оказа, че да, го направиха. Ако не се лъжа, натриевият бисмутат и някои други съединения се подчиняват на описаните правила. Разбира се, това е само началото. Когато бъдат публикувани следващите статии по темата, ще разберем дали нашият модел има реална предсказваща сила. Защото точно това търсим. Искаме да опишем химически закони, които биха се запазили дори при високо налягане. .

Преди две-три години професор Оганов откри, че простата сол NaCl при високо налягане не е много проста и ще се образуват други съединения. Но никой не знае защо. Те направиха изчисление, получиха резултатите, но не можете да кажете защо се случва това. Така че, тъй като по време на моята докторска степен специализирах в изучаването на химическото свързване, изследвам тези съединения и намирам някакво правило, за да рационализирам случващото се. Аз как изследват електроните се държат в тези съединения и измислих някои правила, които тези видове съединения ще следват при високо налягане. За да проверя дали правилата ми са само мое въображение или са верни, предсказвах нови структури на подобни съединения. Например LiBr или NaBr и някои комбинации като тази. И да, тези правила се оказват спазени. Накратко, само за да не съм много специалист, видях, че има тенденция: когато ги компресирате, те ще образуват двуизмерни метали, а след това едномерна структура на метала. И тогава при много високо налягане ще се случи още нещо диво, защото Cl в този случай ще има окислително число -2. Всички химици знаят, че най-ниското окислително число на Cl е -1, което е типичен пример от учебника: натрият губи електрон, а хлорът го получава. Така че имаме +1 и -1 окислителни числа. Но при много високо налягане вече не е вярно. Ние демонстрирахме това с някои подходи за анализ на химичното свързване. В тази работа също се опитах да разгледам литературата дали някой е виждал този вид правила преди. И да, оказа се, че има такива. Ако не се лъжа, се оказа, че Na-Bi и други съединения спазват тези правила. Това е само отправна точка, разбира се. Ще излязат другите документи и ще видим дали този модел има реална предсказваща сила. Защото това е, което търсим. Искаме да скицираме химията, която ще работи и за високо налягане.

Фигура 12. Структурата на вещество с химична формула Na 4 Cl 3 , което се образува при налягане 125-170 GPa, което ясно демонстрира появата на "странна" химия под налягане.

Ако експериментирате, тогава избирателно

Въпреки факта, че алгоритъмът USPEX има голяма предсказваща сила в рамките на своите задачи, теорията винаги изисква експериментална проверка. Лабораторията за проектиране на компютърни материали е теоретична, както подсказва дори името й. Поради това експериментите се провеждат в сътрудничество с други научни екипи. Габриеле Салех коментира стратегията за изследване, приета в лабораторията, както следва:

„Ние не провеждаме експерименти - ние сме теоретици. Но често си сътрудничим с хора, които го правят. Всъщност мисля, че като цяло е трудно. Днес науката е силно специализирана, така че не е лесно да се намери някой, който да прави и двете." .

Ние не правим експерименти, но често си сътрудничим с някои хора, които правят експерименти. Всъщност мисля, че всъщност е трудно. В днешно време науката е много специализирана, така че е трудно да се намери някой, който да прави и двете.

Един от най-ярките примери е прогнозата за прозрачен натрий. През 2009 г. в сп природатабяха публикувани резултатите от работата, извършена под ръководството на Артем Оганов. В статията учените описват нова форма на Na, в която той е прозрачен неметал, превръщащ се в диелектрик под налягане. Защо се случва това? Това се дължи на поведението на валентните електрони: под налягане те се изтласкват в кухините на кристалната решетка, образувана от натриеви атоми (фиг. 13). В този случай металните свойства на веществото изчезват и се появяват качествата на диелектрика. Налягане от 2 милиона атмосфери прави натрия червен, а 3 милиона атмосфери го прави безцветен.

Фигура 13. Натрий под налягане над 3 милиона атмосфери. в синьопоказва кристалната структура на натриевите атоми, оранжево- снопове от валентни електрони в кухините на структурата.

Малцина вярваха, че класическият метал може да прояви такова поведение. Въпреки това, в сътрудничество с физика Михаил Еремец, бяха получени експериментални данни, които напълно потвърдиха прогнозата (фиг. 14).

Фигура 14. Снимки на Na проба, взета с комбинация от пропуснато и отразено осветление.Към пробата бяха приложени различни налягания: 199 GPa (прозрачна фаза), 156 GPa, 124 GPa и 120 GPa.

Трябва да се работи с огъня!

Артем Оганов ни разказа какви изисквания поставя към служителите си:

„Първо, те трябва да имат добро образование. Второ, бъдете трудолюбиви. Ако човек е мързелив, тогава няма да го наема, а ако изведнъж го наема по погрешка, той ще бъде изгонен. Просто уволних няколко служители, които се оказаха мързеливи, инертни, аморфни. И смятам, че това е абсолютно правилно и добре дори за самия човек. Защото ако човек не е на мястото си, той няма да е щастлив. Той трябва да отиде там, където ще работи с блясък, с ентусиазъм, с удоволствие. И това е добре за лабораторията и добре за човека. И тези момчета, които наистина работят красиво, с блясък, плащаме добра заплата, те ходят на конференции, пишат статии, които след това се публикуват в най-добрите световни списания, всичко ще бъде наред с тях. Защото са на правилното място и защото лабораторията разполага с добри ресурси, за да ги поддържа. Тоест, момчетата не трябва да мислят за печелене на пари, за да оцелеят. Те могат да се концентрират върху науката, върху любимия си бизнес и да го правят успешно. Вече имаме някои нови грантове и това ни отваря възможността да наемем още няколко човека. През цялото време има конкуренция. Хората кандидатстват през цялата година, но, разбира се, не ги приемам всички.”. (2016). 4-аминопиридин кристален хидрат, метод за получаването му, фармацевтичен състав и метод за лечение и/или профилактика на негова основа. физ. Chem. Chem. физ. 18 , 2840–2849;

Ma Y., Eremets M., Oganov A.R., Xie Y., Trojan I., Medvedev S. et al. (2009). Прозрачен плътен натрий. природата. 458 , 182–185;

Ляхов A.O., Оганов A.R., Stokes H.T., Zhu Q. (2013). Нови разработки в алгоритъма за прогнозиране на еволюционна структура USPEX. Компютър. физ. общ. 184 , 1172–1182.