Artem Oganov. Diseño por ordenador de nuevos materiales: ¿sueño o realidad? Diseño por ordenador de nuevos materiales Descubrimiento de nuevos materiales mediante el diseño por ordenador

1. 1. Diseño por ordenador de nuevos materiales: ¿sueño o realidad? Artem Oganov (ARO) (1) Departamento de Geociencias (2) Departamento de Física y Astronomía (3) Centro de Ciencias Computacionales de Nueva York Universidad Estatal de Nueva York, Stony Brook, NY 11794-2100 (4) Universidad Estatal de Moscú, Moscú, 119992, Rusia.
2. 2. La estructura de la materia: átomos, moléculas Los antiguos adivinaron que la materia se compone de partículas: “cuando Él (Dios) no creó la tierra, ni los campos, ni las partículas de polvo iniciales del universo” (Proverbios, 8:26). ) (también - Epicuro, Lucrecio Car , antiguos indios, ...) En 1611, I. Kepler sugirió que la estructura del hielo, la forma de los copos de nieve, está determinada por su estructura atómica
3. 3. La estructura de la materia: átomos, moléculas, cristales 1669 - el nacimiento de la cristalografía: Nikolai Stenon formula la primera ley cuantitativa de la cristalografía dentro de ti mismo. Da a la mente una cierta satisfacción limitada, y sus detalles son tan variados que puede llamarse inagotable; por eso ata incluso a las mejores personas con tanta tenacidad y durante tanto tiempo. Las críticas al atomismo lo llevaron al suicidio en 1906. En 1912, los experimentos de Max von Laue probaron la hipótesis de la estructura atómica de la materia.
4. 4. La estructura es la base para comprender las propiedades y el comportamiento de los materiales (de http://nobelprize.org) Zinc blenda ZnS. Una de las primeras estructuras resueltas por los Braggs en 1913. Sorpresa: ¡NO hay moléculas de ZnS en la estructura!
5. 5. La difracción de rayos X es el método principal para la determinación experimental de la estructura cristalina Estructura Patrón de difracción
6. 6. Correlación entre estructura y patrón de difracción ¿Cuál será el patrón de difracción de estas "estructuras"?
7. 7. Triunfos del experimento: determinación de estructuras cristalinas increíblemente complejas Fases inconmensurables Cuasicristales de elementos Proteínas (Rb-IV, U.Schwarz'99) Un nuevo estado de la materia, descubierto en 1982. ¡Encontrado en la naturaleza recién en 2009! ¡Premio Nobel 2011!
8. 8. Estados de la materia Cristalino Cuasicristalino Amorfo Líquido Gaseoso (“Materia blanda”: ​​polímeros, cristales líquidos)
9. 9. La estructura atómica es la característica más importante de la materia. Conociéndola, se pueden predecir las propiedades del material y su estructura electrónica Teoría Exp. C11 493 482 C22 546 537 C33 470 485 C12 142 144 C13 146 147 C23 160 146 C44 212 204 C55 186 186 Constantes elásticas de MgSiO3 perovskita C66 149 147
10. 10. Algunas historias 4. Materiales del interior de la tierra 3. Materiales de una computadora 2. ¿Es posible predecir cristalino1. ¿Sobre la conexión de estructura? estructura y propiedades
11. 11. ¿Por qué el hielo es más ligero que el agua?La estructura del hielo contiene grandes canales vacíos, que no se encuentran en el agua líquida. Debido a la presencia de estos canales vacíos, el hielo es más liviano que el hielo.
12. 12. Hidratos de gas (clatratos) - hielo lleno de moléculas invitadas (metano, dióxido de carbono, cloro, xenón, etc.) Número de publicaciones sobre clatratos Grandes depósitos de hidrato de metano - ¿esperanza y salvación de la energía? A baja presión, el metano y el dióxido de carbono forman clatratos: ¡1 litro de clatrato contiene 168 litros de gas! El hidrato de metano parece hielo, pero se quema para liberar agua. ¿Es el hidrato de CO2 una forma de almacenamiento de dióxido de carbono? El mecanismo de la anestesia con xenón es la formación de Xe-hidrato, que bloquea la transmisión de señales neuronales al cerebro (Pauling, 1951)
13. 13. Materiales microporosos para la industria química y depuración ambiental Las zeolitas son aluminosilicatos microporosos, la separación de octano e isooctano por zeolita se utiliza en la industria química. industria Ejemplos históricos de envenenamiento por metales pesados: Qin Shi Huangdi Iván IV el Terrible "Enfermedad de Nerón (37-68) Plomo (259 - 210 a. C.) (1530-1584) envenenamiento demente: sombrerero" agresión, demencia
14. 14. Superconductores nuevos y viejos El fenómeno fue descubierto en 1911 por Kamerling-Onnes Teoría de la superconductividad - 1957 (Bardeen, Cooper, Schrieffer), ¡pero no existe una teoría de los superconductores de temperatura más alta (Bednorz, Muller, 1986)! Los imanes más potentes (IRM, espectrómetros de masas, aceleradores de partículas) Trenes de levitación magnética (430 km/h)
15. 15. Sorpresa: formas de impurezas superconductoras de carbono 1.14 1 Tc  exp[ ] kB g (E F)V Grafito dopado: KC8 (Tc=0.125 K), CaC6 (Tc=11 K). Diamante dopado con B: Tc=4 K. Fullerenos dopados: RbCs2C60 (Tc=33 K) Molécula de la molécula Estructura y apariencia de los cristales de fullereno fullerita C60 La superconductividad en cristales orgánicos se conoce desde 1979 (Bechgaard, 1979).
16. 16. Cómo se pueden salvar o destruir los materiales A bajas temperaturas, el estaño sufre una transición de fase: la "plaga del estaño". 1812: según la leyenda, ¡la expedición de Napoleón a Rusia murió debido a los botones de hojalata en sus uniformes! 1912 - la muerte de la expedición del Capitán R.F. Scott al Polo Sur, que se atribuyó a la "plaga del estaño". Transición de primer orden a 13 0C Estaño blanco: 7,37 g/cm3 Estaño gris: 5,77 g/cm3
17. 17. Aleaciones con memoria de forma 1 2 3 4 1- antes de la deformación 3- después del calentamiento (20°C) (50°C) 2- después de la deformación 4- después del enfriamiento (20°C) (20°C) Ejemplo: NiTi ( nitinol ) Aplicaciones: Derivaciones, aparatos dentales, elementos de oleoductos y motores de aeronaves
18. 18. Milagros de las propiedades ópticas Pleocroísmo (cordierita) - descubrimiento de América y navegación de las Fuerzas Aéreas de EE. UU. Birrefringencia de la luz (calcita) Efecto alejandrita (crisoberilo) Copa de licurgo (vidrio con nanopartículas)
19. 19. Acerca de la naturaleza del color Longitud de onda, Å Color Color complementario 4100 Violeta Amarillo limón 4300 Amarillo índigo 4800 Azul Naranja 5000 Azul Verde Rojo 5300 Verde Magenta 5600 Amarillo limón Violeta 5800 Amarillo índigo 6100 Naranja Azul 6800 Rojo Azul Verde
20. 20. El color depende de la dirección (pleocroísmo). Ejemplo: cordierita (Mg,Fe)2Al4Si5O18.
21. 21. 2. Predicción de estructuras cristalinas Oganov A.R., Lyakhov A.O., Valle M. (2011). Cómo funciona la predicción de la estructura cristalina evolutiva y por qué. según química Res. 44, 227-237.
22. 22. J. Maddox (Nature, 1988) La tarea es encontrar el mínimo GLOBAL de Natoms Variantes Energía del tiempo. 1 1 1 s Es imposible enumerar todas las estructuras: 10 1011 103 años. 20 1025 1017 años. 30 1039 1031 años. Descripción general del método USPEX (ARO & Glass, J.Chem.Phys. 2006)
23. 23. ¿Cómo usar la evolución del canguro para encontrar el Monte Everest? (imagen de R. Clegg) Desembarcamos tropas de canguros y dejamos que se reproduzcan (no se muestra por razones de censura).....
24. 24. ¿Cómo usar la evolución del canguro para encontrar el Monte Everest? (imagen de R. Clegg) ¡Aaaargh! Ouch .... y de vez en cuando los cazadores vienen y eliminan canguros en altitudes más bajas
25. 25.
26. 26. Cálculos evolutivos "autoaprender" y centrar la búsqueda en las regiones más interesantes del espacio
27. 27. Cálculos evolutivos "autoaprender" y centrar la búsqueda en las regiones más interesantes del espacio
28. 28. Cálculos evolutivos "autoaprender" y centrar la búsqueda en las regiones más interesantes del espacio
29. 29. Cálculos evolutivos "autoaprender" y centrar la búsqueda en las regiones más interesantes del espacio
30. 30. Métodos alternativos: Búsqueda aleatoria (Freeman & Catlow, 1992; van Eijck & Kroon, 2000; Pickard & Needs, 2006) Sin "entrenamiento", solo funciona para sistemas simples (hasta 10-12 átomos) Recocido artificial (Pannetier 1990; Schön & Jansen 1996) Sin "aprendizaje" Metadinámica (Martonak, Laio, Parrinello 2003) Búsqueda tabú en espacio reducido Salto de mínimos (Gödecker 2004) Utiliza historial de cálculo y "autoaprendizaje". Bush (1995), Woodley (1999) los algoritmos genéticos y evolutivos son un método ineficiente para los cristales. Deaven & Ho (1995) es un método eficiente para nanopartículas.
31. 31. USPEX (Universal Structure Predictor: Evolutionary Xtallography) (Aleatorio) población inicial Una nueva generación de estructuras se produce solo a partir de las mejores estructuras actuales (1) Herencia (3) Coordenada (2) Mutación de celosía mutación (4) Permutación
32. 32. Trucos adicionales: el parámetro de orden "Huella digital" de la estructura Nacimiento del orden del caos en el proceso evolutivo ["DIOS = Generador de diversidad" © S. Avetisyan] Orden local: indica áreas defectuosas
33. 33. Prueba: “¿Quién diría que el grafito es el alótropo estable del carbono a presión normal?” (Maddox, 1988) La estructura sp2 tridimensional propuesta por R. Hoffmann (1983) como fase estable a 1 atm de energía hibridación ilustra sp2 hibridación química del carbono sp hibridación (carabina)
34. Prueba: las fases de alta presión también se reproducen correctamente 100 GPa: diamante estable 2000 GPa: fase bc8 estable + fase metaestable encontrada que explica la fase metaestable bc8 del "grafito superduro" de silicio (Kasper, 1964) (Li, ARO, Ma, et al. ., PRL 2009)
35. 35. Descubrimientos realizados con USPEX:
36. 36. 3. Materiales de la computadora
37. 37. Descubrimiento de nuevos materiales: sigue siendo un ensayo y error experimental "No fallé (diez mil) pero solo descubrí 10,000 formas que no funcionaron" (T.A. Edison)
38. 38. Búsqueda de la sustancia más densa: ¿son posibles modificaciones del carbono más densas que el diamante? Sí. La estructura de DiamondDiamond tiene el volumen atómico más pequeño y la mayor incompresibilidad de todas las nuevas estructuras, elementos (y compuestos). más denso que un diamante! (Zhu, ARO, et al., 2011)
39. 39. La analogía de las formas de carbono y sílice (SiO2) permite comprender la densidad de nuevas formas de carbono Nuevas estructuras, 1,1-3,2% más densas que el diamante, índices de refracción muy altos (¡hasta 2,8!) y dispersión de la luz diamante hP3 estructura tP12 estructura tI12 estructura SiO2 cristobalita SiO2 cuarzo SiO2 kitita alta presión SiS2 fase
40. 40.
41. 41. ¿El óxido más duro es el TiO2? (Dubrovinsky et al., Nature 410, 653-654 (2001)) Nishio-Hamane (2010) y Al-Khatatbeh (2009): módulo de compresión ~300 GPa en lugar de 431 GPa. Lyakhov & ARO (2011): ¡Los experimentos de presión son muy difíciles! ¡Dureza no superior a 16 GPa! TiO2 es más suave que SiO2 de stishovita (33 GPa), B6O (45 GPa), Al2O3 de corindón (21 GPa).
42. 42. ¿Son posibles formas de carbono más duras que el diamante? No . Material Modelo Li Lyakhov Exp. Dureza, Entalpía, et al. & Aro Estructura de la GPU EV/Atomo (2009) (2011) Almaz 89,7 0,000 Diamante 91,2 89,7 90 Lonsdaleit 89,1 0,026 Grafito 57,4 0,17 0,14 C2/M 84,3 0,163 TiO2 Rutilo 12,4 12,3 8-10 i40 β-2,3 4 β-10 mmm0.4N 84.3 23,4 21 Cmcm 83,5 0,282SiO2 stishovita 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 P6522 81,3 0,111 Todas las estructuras más duras se basan en hibridación sp3
43. 43. La compresión en frío del grafito da M-carbono, ¡no diamante! M-carbon se propuso en 2006. En 2010-2012. Se han propuesto docenas de estructuras alternativas (W-, R-, S-, Q-, X-, Y-, Z-carbon, etc.) Los últimos experimentos confirman el M-carbono El M-carbono se forma más fácilmente a partir de grafito grafito bct4-carbono grafito M - carbono grafito diamante
44. 44. M-carbono - una nueva forma de carbono diamantegrafito lonsdaleita Diagrama de fase teórico de las carabinas de carbono M-carbonfullerenos
45. 45. Sustancia bajo presión en la naturaleza P.W. Bridgman 1946 Premio Nobel (Física) Escala 200x: 100 GPa = 1 Mbar =
46. Neptuno tiene una fuente de calor interna, pero ¿de dónde proviene el CH4? Urano y Neptuno: H2O:CH4:NH3 = 59:33:8. Neptuno tiene una fuente de energía interna (Hubbard'99). Ross'81 (y Benedetti'99): CH4=C(diamante) + 2H2. ¿Es la caída de diamantes la principal fuente de calor en Neptuno? La teoría (Ancilotto’97; Gao’2010) lo confirma. metano hidrocarburos diamante
47. 47. El boro se encuentra entre los metales y los no metales y sus estructuras únicas son sensibles a las impurezas B, la temperatura y la presión alfa-B beta-B T-192
48. 48. La historia del descubrimiento y la investigación del boro está llena de contradicciones y giros detectivescos B 1808: J.L. Gay-Lussac y H. Davy anunciaron el descubrimiento de un nuevo elemento: el boro. Gay-Lussac H. Davy 1895: H. Moissan demostró que las sustancias que descubrieron no contenían más del 50-60% de boro. Sin embargo, el material Moissan también resultó ser un compuesto con un contenido de boro inferior al 90 %. H. Moissan 1858: F. Wöhler describió 3 modificaciones del boro: "diamante-", "grafito-" y "similar al carbón". Los tres resultaron ser compuestos (por ejemplo, AlB12 y B48C2Al). 2007: se han publicado ~ 16 modificaciones de cristal (¿la mayoría son compuestos?). No se sabe qué forma es la más estable. F.Wöhler
49. 49. ¡Bajo presión, el boro forma una estructura parcialmente iónica! B 2004: Chen y Solozhenko: sintetizaron una nueva modificación del boro, pero no pudieron resolver su estructura. 2006: Oganov: determinó la estructura, demostró su estabilidad. 2008: Solozhenko, Kurakevich, Oganov: esta fase es una de las sustancias más duras conocidas (dureza 50 GPa). Difracción de rayos X. Arriba - teoría, Abajo - experimento Estructura del gamma-boro: (B2)δ+(B12)δ-, δ=+0.5 (ARO et al., Nature 2009) Distribución de más (izquierda) y menos (derecha) electrones estables.
50. 50. El primer diagrama de fase del boro: ¡después de 200 años de investigación! Diagrama de fase de boro (ARO et al., Nature 2009)
51. 51. El sodio es un metal perfectamente descrito por el modelo de electrones libres
52. 52. Bajo presión, el sodio cambia su esencia - "transformación alquímica" Na 1807: Sodio descubierto por Humphrey Davy. 2002: Hanfland, Syassen, et al. - el primer indicio de química extremadamente compleja H. Presión de sodio Davy superior a 1 Mbar. Gregoryants (2008) para obtener datos más detallados. ¡Bajo presión, el sodio se convierte en parte en un metal d!
53. 53. ¡Hemos predicho una nueva estructura, que es un no metal transparente! El sodio se vuelve transparente a una presión de ~2 Mbar (Ma, Eremets, ARO et al., Nature 2009) Los electrones se localizan en el "espacio vacío" de la estructura, lo que convierte al sodio comprimido en un no metal
54. El estudio de los minerales no es solo un placer estético, sino también una dirección científica importante en la práctica y fundamentalmente. Efecto de la reducción del punto de fusión por impurezas. Aleación de madera: se funde a 70 C. 41.5 C!
55. 64. ¿Y cuál es la composición del núcleo interno de la Tierra? El núcleo es algo menos denso que el hierro puro. En el núcleo de Fe en una aleación con elementos ligeros como S, Si, O, C, H. Se prevén nuevos compuestos (¡FeH4!) en los sistemas Fe-C y Fe-H. El carbono puede estar contenido en el núcleo en grandes cantidades [Bazhanova, Oganov, Dzhanola, UFN 2012]. Porcentaje de carbono en el núcleo interno necesario para explicar su densidad
56. 65. La naturaleza de la capa D” (2700-2890 km) siguió siendo un misterio durante mucho tiempo D”: se espera que la raíz de los flujos del manto caliente MgSiO3 sea ~75 % vol. Rarezas de la capa D”: discontinuidad sísmica, anisotropía ¡Recordemos la anisotropía del color cordierita!
57. 66. La respuesta radica en la existencia de un nuevo mineral, MgSiO3 post-perovskita en la capa D“ (2700-2890 km) Perovskita a medida que la Tierra se enfría D“ ausente de Mercurio y Marte Nueva familia de minerales predicha Confirmación – Tschauner (2008)
58. 67. La estructura de la materia es la clave para entender el mundo 4. La comprensión del interior planetario se profundiza 3. La computadora aprende a predecir nuevos materiales 2. Ya es posible predecir estructuras cristalinas1. La estructura define las propiedades
59. 68. Agradecimientos: Mis alumnos, estudiantes de posgrado y posdoctorados: A. Lyakhov Y. Ma S.E. Boulfelfel C. W. Vidrio Q. Zhu Y. Xie Colegas de otros laboratorios: F. Zhang (Perth, Australia) C. Gatti (U. Milano, Italia) G. Gao (Universidad de Jilin, China) A. Bergara (U. País Vasco, España) I. Errea (U. País Vasco, España) M. Martinez-Canales (UCL, UK) C. Hu (Guilin, China) M. Salvado & P.Pertierra (Oviedo, España) VL Solozhenko (París) D.Yu. Pushcharovsky, V. V. Brazhkin (Moscú) Usuarios del programa USPEX (>1000 personas) - http://han.ess.sunysb.edu/~USPEX

Publicamos el texto de una conferencia impartida por un profesor de la Universidad Estatal de Nueva York, profesor asociado de la Universidad Estatal de Moscú, profesor honorario de la Universidad de GuilinArtem Oganov 8 Septiembre de 2012 como parte de la serie de conferencias públicas Polit.ru en el Open Air Book Festival Mercado de libros en el parque de las artes "Museon".

Las "conferencias públicas "Polit.ru"" se llevan a cabo con el apoyo de:

Texto de la conferencia

Estoy muy agradecido con los organizadores de este festival y Polit.ru por la invitación. Es un gran honor para mí dar esta conferencia; Espero que sea de su interés.

La conferencia está directamente relacionada con nuestro futuro, porque nuestro futuro es imposible sin nuevas tecnologías, tecnologías relacionadas con nuestra calidad de vida, aquí está el iPad, aquí está nuestro proyector, toda nuestra electrónica, tecnologías de ahorro de energía, tecnologías que se utilizan para limpiar el medio ambiente, las tecnologías que se utilizan en la medicina, etc., todo esto depende en gran medida de los nuevos materiales, las nuevas tecnologías requieren nuevos materiales, materiales con propiedades únicas y especiales. Y sobre cómo se pueden desarrollar estos nuevos materiales no en el laboratorio, sino en una computadora, la historia continuará.

La conferencia se llama: "Diseño por ordenador de nuevos materiales: ¿sueño o realidad?". Si fuera solo un sueño, entonces la conferencia no tendría sentido. Los sueños son algo, por regla general, no del reino de la realidad. Por otro lado, si esto ya se hubiera realizado plenamente, la conferencia tampoco habría tenido sentido, porque un nuevo tipo de metodologías, incluidas las teóricas computacionales, cuando ya están completamente desarrolladas, pasan de la categoría de ciencia a la categoría de tareas rutinarias industriales. De hecho, este campo es completamente nuevo: el diseño asistido por ordenador de nuevos materiales está en algún punto intermedio entre un sueño - algo que es imposible, algo con lo que soñamos en nuestro tiempo libre - y la realidad, es un área que aún no está del todo completa. , es un área que se está desarrollando en este momento. Y esta área permitirá en un futuro cercano retirarse del método tradicional de descubrir nuevos materiales, laboratorio y comenzar el diseño de materiales asistido por computadora, sería más barato y más rápido, y en muchos sentidos incluso más confiable. Y aquí está cómo hacerlo, te lo diré. Esto está directamente relacionado con el problema de la predicción, la predicción de la estructura de una sustancia, porque la estructura de una sustancia determina sus propiedades. La diferente estructura de la misma sustancia, por ejemplo, el carbono, define al diamante superduro y al grafito superblando. La estructura en este caso lo es todo. La estructura de la materia.

En general, este año celebramos el centenario de los primeros experimentos que permitieron descubrir la estructura de la materia. Hace mucho tiempo, desde la antigüedad, la gente planteó hipótesis de que la materia consiste en átomos. Se puede encontrar una mención de esto, por ejemplo, en la Biblia, en varias epopeyas indias, y se pueden ver referencias bastante detalladas a esto en Demócrito y Lucrecio Kara. Y la primera mención de cómo se organiza la materia, cómo esta sustancia consiste en estas partículas discretas, átomos, pertenece a Johannes Kepler, el gran matemático, astrónomo e incluso astrólogo; en ese momento, la astrología todavía se consideraba una ciencia, lamentablemente. Kepler hizo los primeros dibujos en los que explicaba la forma hexagonal de los copos de nieve, y la estructura del hielo propuesta por Kepler, aunque diferente a la realidad, es similar en muchos aspectos. Pero, sin embargo, la hipótesis de la estructura atómica de la materia siguió siendo una hipótesis hasta el siglo XX, hasta que hace cien años, por primera vez, esta hipótesis se comprobó científicamente. Se demostró con la ayuda de mi ciencia, la cristalografía, una ciencia relativamente nueva, que nació a mediados del siglo XVII, 1669 es la fecha oficial de nacimiento de la ciencia de la cristalografía, y fue creada por el maravilloso científico danés Nikolai Stenon. . En realidad, su nombre era Nils Stensen, era danés, el nombre latinizado es Nikolai Stenon. Fundó no solo la cristalografía, sino también una serie de disciplinas científicas, y formuló la primera ley de la cristalografía. Desde ese momento, la cristalografía comenzó a desarrollarse a lo largo de una trayectoria acelerada.

Nicholas Stenon tenía una biografía única. Se convirtió no solo en el fundador de varias ciencias, sino que también fue canonizado en la Iglesia Católica. El más grande poeta alemán, Goethe, también fue cristalógrafo. Y Goethe cita que la cristalografía es improductiva, existe en sí misma y, en general, esta ciencia es completamente inútil, y no está claro por qué es necesaria, pero como un rompecabezas es muy interesante y, por lo tanto, atrae a personas muy inteligentes. Esto es lo que dijo Goethe en una conferencia de divulgación científica que dio en algún lugar de los balnearios de Baden a damas ricas y ociosas. Por cierto, hay un mineral que lleva el nombre de Goethe, la goethita. Debo decir que en ese momento la cristalografía era de hecho una ciencia bastante inútil, realmente al nivel de algún tipo de charadas y acertijos matemáticos. Pero pasó el tiempo, y hace 100 años la cristalografía abandonó la categoría de tales ciencias en sí misma y se convirtió en una ciencia excepcionalmente útil. Esto fue precedido por una gran tragedia.

Una vez más, la estructura atómica de la materia siguió siendo una hipótesis hasta 1912. El gran físico austriaco Ludwig Boltzmann construyó todos sus argumentos científicos sobre esta hipótesis sobre la atomicidad de la materia y fue duramente criticado por muchos de sus oponentes: “¿cómo puedes construir todas tus teorías sobre una hipótesis no probada?” Ludwig Boltzmann, influenciado por esta crítica, además de su mala salud, se suicidó en 1906. Se ahorcó mientras estaba de vacaciones con su familia en Italia. Apenas 6 años después, se comprobó la estructura atómica de la materia. Entonces, si hubiera tenido un poco más de paciencia, habría triunfado sobre todos sus oponentes. La paciencia a veces significa más que inteligencia, la paciencia significa más que incluso genio. Entonces, ¿cuáles fueron estos experimentos? Estos experimentos fueron realizados por Max von Laue, más precisamente, por sus estudiantes de posgrado. Max von Laue no hizo ninguno de estos experimentos por sí mismo, pero la idea fue suya. La idea era que si la materia realmente está compuesta de átomos, si de hecho, como supuso Kepler, los átomos están construidos en un cristal de manera periódica y regular, entonces debería observarse un fenómeno interesante. Poco antes de eso, se descubrieron los rayos X. Los físicos en ese momento ya entendieron bien que si la longitud de onda de la radiación es comparable a la longitud de la periodicidad, la longitud característica del objeto, en este caso, el cristal, entonces se debe observar el fenómeno de la difracción. Es decir, los rayos viajarán no solo estrictamente en línea recta, sino que también se desviarán en ángulos estrictamente definidos. Por lo tanto, debe observarse en el cristal un patrón de difracción de rayos X muy especial. Se sabía que la longitud de onda de los rayos X debería ser similar al tamaño de los átomos, si los átomos existen, se hicieron estimaciones del tamaño de los átomos. Por lo tanto, si la hipótesis atómica de la estructura de la materia es correcta, entonces se debe observar la difracción de rayos X de los cristales. ¿Qué podría ser más fácil que comprobar?

Una idea sencilla, un experimento sencillo, por el que en poco más de un año, Laue recibió el Premio Nobel de Física. Y podemos probar este experimento. Pero, desafortunadamente, ahora es demasiado claro para que todos puedan observar este experimento. ¿Pero tal vez podamos intentarlo con un testigo? ¿Quién podría venir aquí y tratar de observar este experimento?

Ver. Aquí hay un puntero láser, lo iluminamos, ¿y qué está sucediendo aquí? No tenemos rayos X, tenemos un láser óptico. Y esta no es la estructura del cristal, sino su imagen, hinchada 10 mil veces: pero la longitud de onda del láser es 10 mil veces mayor que la longitud de onda de los rayos X y, por lo tanto, se cumple nuevamente la condición de difracción: la longitud de onda es comparable con el período de la red cristalina. Veamos un objeto en el que no hay una estructura regular, un líquido. Toma, Oleg, sostén esta foto, y brillaré con un láser, acércate, la foto será pequeña, porque no podemos proyectar ... mira, aquí ves un anillo, dentro hay un punto que caracteriza el paso directo. del haz Pero el rizo es la difracción de la estructura desorganizada del líquido. Si tenemos un cristal frente a nosotros, entonces la imagen será completamente diferente. Verá, tenemos muchos rayos que se desvían en ángulos estrictamente definidos.

Oleg (voluntario): Probablemente porque hay más átomos...

Artem Oganov: No, debido al hecho de que los átomos están ordenados de una manera estrictamente definida, podemos observar dicho patrón de difracción. Esta imagen es muy simétrica, y esto es importante. Aplaudamos a Oleg por un experimento brillantemente realizado que le habría valido un Premio Nobel hace 100 años.

Además, el próximo año, el padre y el hijo Braggy aprendieron a descifrar los patrones de difracción para determinar las estructuras cristalinas de ellos. Las primeras estructuras eran muy simples, pero ahora, gracias a las últimas metodologías, por las que se otorgó el Premio Nobel en 1985, es posible descifrar estructuras ya muy, muy complejas, en base a la experimentación. Aquí está el experimento que Oleg y yo reproducimos. Aquí está la estructura original, aquí están las moléculas de benceno, y Oleg observó esa imagen de difracción. Ahora, con la ayuda de la experimentación, es posible descifrar estructuras muy complejas, en particular las estructuras de los cuasicristales, y el año pasado se otorgó el Premio Nobel de Química por el descubrimiento de los cuasicristales, este nuevo estado de la materia sólida. ¡Qué dinámica es esta área, qué descubrimientos fundamentales se están haciendo en nuestra vida! La estructura de las proteínas y otras moléculas biológicamente activas también se descifra mediante estudios de difracción de rayos X, esa gran técnica cristalográfica.

Así, conocemos los diferentes estados de la materia: cristalino ordenado y cuasicristalino, amorfo (estado sólido desordenado), así como estado líquido, gaseoso y varios estados poliméricos de la materia. Conociendo la estructura de la materia, puedes predecir muchas, muchas de sus propiedades, y con un alto grado de confiabilidad. Aquí está la estructura del silicato de magnesio, un tipo de perovskita. Al conocer las posiciones aproximadas de los átomos, puede predecir, por ejemplo, una propiedad bastante difícil como las constantes elásticas: esta propiedad se describe mediante un tensor de rango 4 con muchos componentes, y puede predecir esta propiedad compleja con precisión experimental, conociendo solo el posición de los átomos. Y la sustancia es bastante importante, constituye el 40% del volumen de nuestro planeta. Es el material más común en la tierra. Y para comprender las propiedades de esta sustancia, que existe a grandes profundidades, es posible, conociendo solo la disposición de los átomos.

Me gustaría hablar un poco sobre cómo se relacionan las propiedades con la estructura, cómo predecir la estructura de la materia para poder predecir nuevos materiales y qué se ha hecho usando este tipo de métodos. ¿Por qué el hielo es más ligero que el agua? Todos sabemos que los icebergs flotan y no se hunden, sabemos que el hielo siempre está en la superficie del río, no en el fondo. ¿Qué pasa? Se trata de la estructura: si miras esta estructura de hielo, verás grandes huecos hexagonales en él, y cuando el hielo comienza a derretirse, las moléculas de agua obstruyen estos huecos hexagonales, por lo que la densidad del agua se vuelve mayor que la densidad del hielo. Y podemos demostrar cómo ocurre este proceso. Les mostraré un cortometraje, miren atentamente. El derretimiento comenzará desde las superficies, así es como sucede en realidad, pero esto es un cálculo de computadora. Y verás cómo la fusión se extiende hacia adentro... las moléculas se mueven, y verás cómo estos canales hexagonales se obstruyen y se pierde la corrección de la estructura.

El hielo tiene varias formas diferentes, y la forma de hielo que se obtiene al llenar los vacíos de la estructura del hielo con moléculas invitadas es muy interesante. Pero la estructura misma también cambiará. Me refiero a los llamados hidratos de gas o clatratos. Ves un esqueleto de moléculas de agua, en el que hay vacíos, en el que hay moléculas o átomos invitados. Las moléculas invitadas pueden ser metano, gas natural, puede ser dióxido de carbono, puede ser, por ejemplo, un átomo de xenón, y cada uno de estos hidratos de gas tiene una historia interesante. El hecho es que las reservas de hidrato de metano contienen 2 órdenes de magnitud más de gas natural que los campos de gas convencionales. Los depósitos de este tipo se encuentran, por regla general, en la plataforma marina y en zonas de permafrost. El problema es que la gente todavía no ha aprendido cómo extraer gas de ellos de manera segura y rentable. Si se soluciona este problema, entonces la humanidad podrá olvidarse de la crisis energética, tendremos una fuente de energía casi inagotable para los próximos siglos. El hidrato de dióxido de carbono es muy interesante: se puede utilizar como una forma segura de enterrar el exceso de dióxido de carbono. Bombeas dióxido de carbono bajo una ligera presión en el hielo y lo viertes en el lecho marino. Este hielo ha existido allí con bastante calma durante muchos miles de años. El hidrato de xenón fue la explicación de la anestesia con xenón, una hipótesis que planteó hace 60 años el gran químico de cristales Linus Pauling: el hecho es que si a una persona se le permite respirar xenón bajo una ligera presión, deja de sentir dolor. Ha sido y parece ser utilizado algunas veces como anestésico para procedimientos quirúrgicos. ¿Por qué?

El xenón bajo una ligera presión forma compuestos con moléculas de agua, formando los mismos hidratos de gas que obstruyen la propagación de una señal eléctrica a través del sistema nervioso humano. Y la señal de dolor del tejido operado simplemente no llega a los músculos, debido al hecho de que el hidrato de xenón se forma con esa estructura. Esta fue la primera hipótesis, quizás la verdad sea un poco más complicada, pero no hay duda de que la verdad está cerca. Cuando hablamos de este tipo de sustancias porosas, no podemos dejar de recordar los silicatos microporosos, las llamadas zeolitas, que son muy utilizadas en la industria para la catálisis, así como para la separación de moléculas durante el craqueo del aceite. Por ejemplo, las moléculas de octano y mesooctano están perfectamente separadas por zeolitas: esta es la misma fórmula química, pero la estructura de las moléculas es ligeramente diferente: una de ellas es larga y delgada, la otra es corta y gruesa. Y el que es delgado pasa a través de los vacíos de la estructura, y el que es grueso se tamiza, y por lo tanto tales estructuras, tales sustancias se llaman tamices moleculares. Estos tamices moleculares se utilizan para purificar el agua, en particular, el agua que bebemos en nuestros grifos, debe pasar por múltiples filtraciones, incluso con la ayuda de zeolitas. Por lo tanto, puede deshacerse de la contaminación con una variedad de contaminantes químicos. Los contaminantes químicos a veces son extremadamente peligrosos. La historia conoce ejemplos de cómo el envenenamiento por metales pesados ​​condujo a ejemplos históricos muy tristes.

Aparentemente, los primeros emperadores de China, Qin Shi Huangdi e Iván el Terrible, fueron víctimas del envenenamiento por mercurio, y la llamada enfermedad del sombrerero loco fue muy bien estudiada, en los siglos XVIII-XIX en Inglaterra toda una clase de personas. trabajando en la industria del sombrero, muy temprano enfermó de una extraña enfermedad neurológica llamada enfermedad del sombrerero loco. Su habla se volvió incoherente, sus acciones sin sentido, sus extremidades temblaban incontrolablemente y cayeron en la demencia y la locura. Su cuerpo estaba constantemente en contacto con el mercurio, ya que empapaban estos sombreros en soluciones de sales de mercurio, que entraban en su cuerpo y afectaban el sistema nervioso. Iván el Terrible fue un buen zar muy progresista menor de 30 años, después de lo cual cambió de la noche a la mañana y se convirtió en un tirano loco. Cuando su cuerpo fue exhumado, resultó que sus huesos estaban muy deformados y contenían una gran concentración de mercurio. El hecho es que el zar sufría de una forma severa de artritis, y en ese momento la artritis se trataba frotando ungüentos de mercurio; este era el único remedio, y tal vez solo el mercurio explique la extraña locura de Iván el Terrible. Qin Shi Huang, el hombre que creó China en su forma actual, gobernó durante 36 años, y durante los primeros 12 años fue un títere en manos de su madre, la regente, su historia es similar a la de Hamlet. Su madre y amante mataron a su padre, y luego trataron de deshacerse de él también, una historia terrible. Pero, habiendo madurado, comenzó a gobernarse a sí mismo, y en 12 años detuvo la guerra interna entre los 7 reinos de China, que duró 400 años, unió a China, unió pesos, dinero, unificó la escritura china, construyó la Gran Muralla. de China, construyó 6 5.000 kilómetros de carreteras que todavía están en uso, canales que todavía están en uso, y todo fue hecho por un solo hombre, pero en los últimos años ha sufrido una extraña forma de locura maníaca. Sus alquimistas, para hacerlo inmortal, le dieron pastillas de mercurio, creían que esto lo haría inmortal, por lo que este hombre, aparentemente distinguido por una salud notable, murió antes de cumplir los 50 años, y los últimos años de este corta vida se vieron empañados por la locura. El envenenamiento por plomo puede haber convertido a muchos emperadores romanos en sus víctimas: en Roma había una tubería de plomo, un acueducto, y se sabe que con el envenenamiento por plomo, ciertas partes del cerebro se encogen, incluso se puede ver esto en imágenes tomográficas, gotas de inteligencia, Cae el coeficiente intelectual, una persona se vuelve muy agresiva. El envenenamiento por plomo sigue siendo un gran problema en muchas ciudades y países. Para deshacernos de este tipo de consecuencias indeseables, necesitamos desarrollar nuevos materiales para limpiar el medio ambiente.

Los materiales interesantes, no explicados completamente, son los superconductores. La superconductividad también se descubrió hace 100 años. Este fenómeno es en gran parte exótico, fue descubierto de forma aleatoria. Simplemente enfriaron mercurio en helio líquido, midieron la resistencia eléctrica, resultó que cae exactamente a cero y luego resultó que los superconductores expulsan completamente el campo magnético y pueden levitar en un campo magnético. Estas dos características de los superconductores se utilizan ampliamente en aplicaciones de alta tecnología. Se explicó el tipo de superconductividad que se descubrió hace 100 años, se tardó medio siglo en explicarlo, esta explicación le valió el premio Nobel a John Bardeen y sus colegas. Pero luego, en los años 80, ya en nuestro siglo, se descubrió un nuevo tipo de superconductividad, y los mejores superconductores pertenecen a esta clase: superconductores de alta temperatura a base de cobre. Una característica interesante es que tal superconductividad aún no tiene explicación. Hay muchas aplicaciones para los superconductores. Por ejemplo, con la ayuda de superconductores, se crean los campos magnéticos más poderosos, y esto se usa en imágenes de resonancia magnética. Los trenes de levitación magnética son otro uso, y aquí hay una foto que tomé personalmente en Shanghái en un tren de levitación magnética que muestra un indicador de velocidad de 431 kilómetros por hora. Los superconductores son a veces muy exóticos: los superconductores orgánicos, es decir, los superconductores a base de carbono, se conocen desde hace más de 30 años; resulta que incluso el diamante puede convertirse en un superconductor introduciendo en él una pequeña cantidad de átomos de boro. El grafito también se puede convertir en un superconductor.

Aquí también hay un interesante paralelo histórico sobre cómo las propiedades de los materiales o su desconocimiento pueden tener consecuencias fatales. Dos historias que son muy hermosas, pero aparentemente no históricamente correctas, pero las contaré de todos modos, porque una historia hermosa a veces es mejor que una historia real. En la literatura científica popular, a menudo se pueden encontrar referencias a cómo el efecto de la plaga del estaño, y aquí está su ejemplo, arruinó las expediciones de Napoleón en Rusia y el Capitán Scott al Polo Sur. El hecho es que el estaño a una temperatura de 13 grados centígrados sufre una transición de metal (esto es estaño blanco) a estaño gris, un semiconductor, mientras que la densidad cae bruscamente y el estaño se deshace. Esto se llama "plaga del estaño": el estaño simplemente se convierte en polvo. Y aquí hay una historia que no he visto una explicación completa. Napoleón llega a Rusia con un ejército de 620 mil, da solo unas pocas batallas relativamente pequeñas, y solo 150 mil personas llegan a Borodino. 620 vienen, 150 mil llegan a Borodin casi sin luchar. Bajo Borodino, alrededor de 40 mil víctimas más, luego una retirada de Moscú, y 5 mil llegan vivos a París. Por cierto, la retirada también fue casi sin lucha. Que esta pasando? ¿Cómo pasar de 620 mil sin pelear a 5 mil? Hay historiadores que afirman que la plaga del estaño tiene la culpa de todo: los botones de los uniformes de los soldados estaban hechos de estaño, el estaño se desmoronaba tan pronto como llegaba el frío, y los soldados estaban desnudos en la helada rusa. El problema es que los botones estaban hechos de hojalata sucia, que es resistente a la plaga de hojalata.

Muy a menudo se puede ver en la prensa científica popular una mención de que, según diferentes versiones, el Capitán Scott llevaba consigo aviones en los que los tanques de combustible tenían soldaduras de estaño, o comida enlatada en latas: la lata se desmoronó nuevamente y la expedición murió de hambre y frío. De hecho, leí los diarios del Capitán Scott: no mencionó ningún avión, tenía una especie de moto de nieve, pero nuevamente no escribe sobre el tanque de combustible y tampoco escribe sobre comida enlatada. Entonces estas hipótesis, aparentemente, son incorrectas, pero muy interesantes e instructivas. Y recordar el efecto de la plaga del estaño es al menos útil si vas a un clima frío.

Aquí hay otro experimento, y aquí necesito agua hirviendo. Otro efecto relacionado con los materiales y su estructura, que no se le habría ocurrido a nadie, es el efecto memoria de forma, también descubierto por casualidad. En esta ilustración, puede ver que mis colegas hicieron dos letras con este alambre: T U, Universidad Técnica, endurecieron esta forma a altas temperaturas. Si endurece alguna forma a alta temperatura, el material recordará esta forma. Puede hacer un corazón, por ejemplo, dárselo a su amado y decirle: este corazón recordará mis sentimientos para siempre ... entonces esta forma puede destruirse, pero tan pronto como la sumerja en agua caliente, la forma se restaurará. parece magia. Acaba de romper este formulario, pero lo puso en agua caliente: el formulario se restablece. Y todo esto sucede debido a una transformación estructural muy interesante y bastante sutil que se produce en este material a una temperatura de 60 grados centígrados, por lo que se necesita agua caliente en nuestro experimento. Y la misma transformación se produce en el acero, pero en el acero se produce con demasiada lentitud, y no se produce el efecto de memoria de forma. Imagínese si el acero también mostrara tal efecto, viviríamos en un mundo completamente diferente. El efecto de memoria de forma tiene muchos usos: aparatos dentales, derivaciones cardíacas, piezas de motores en aviones para reducir el ruido, soldaduras en gasoductos y oleoductos. Y ahora necesito otro voluntario... por favor, ¿cómo te llamas? ¿Vika? Necesitamos la ayuda de Vicki con este cable, es un cable con memoria de forma. La misma aleación nitinol, una aleación de níquel y titanio. Este alambre fue templado en forma de alambre recto, y recordará esta forma para siempre. Vika, toma un trozo de este cable y gíralo de todas las formas posibles, hazlo lo más indirecto posible, simplemente no hagas los nudos: el nudo no se deshará. Y ahora sumérjalo en agua hirviendo, y el cable recordará esta forma ... bueno, ¿enderezado? Este efecto se puede observar para siempre, probablemente lo vi mil veces, pero cada vez, como un niño, miro y admiro qué hermoso efecto. Aplaudamos a Vika. Sería genial si también pudiéramos predecir tales materiales en una computadora.

Y aquí están las propiedades ópticas de los materiales, que tampoco son triviales. Resulta que muchos materiales, casi todos cristales, dividen un haz de luz en dos haces que viajan en distintas direcciones ya distintas velocidades. Como resultado, si miras a través de un cristal alguna inscripción, la inscripción siempre se duplicará ligeramente. Pero, por regla general, es indistinguible para nuestros ojos. En algunos cristales, este efecto es tan fuerte que en realidad puedes ver dos inscripciones.

Pregunta desde el piso:¿Dijiste - a diferentes velocidades?

Artem Oganov: Sí, la velocidad de la luz solo es constante en el vacío. En medios condensados ​​es menor. Además, solíamos pensar que cada material tiene un color determinado. El rubí es rojo, el zafiro es azul, pero resulta que el color también puede depender de la dirección. En general, una de las principales características de un cristal es la anisotropía, la dependencia de las propiedades de la dirección. Las propiedades en esta dirección y en esta dirección son diferentes. Aquí está el mineral cordierita, en el que el color cambia de amarillo parduzco a azul en diferentes direcciones, este es el mismo cristal. ¿Alguien me cree? Traje un cristal especial de cordierita, así que por favor... mira, ¿de qué color es?

Pregunta desde el piso: Parece blanco, pero...

Artem Oganov: De algo claro, como blanco, a morado, simplemente giras el cristal. De hecho, existe una leyenda islandesa sobre cómo los vikingos descubrieron América. Y muchos historiadores ven en esta leyenda un indicio del uso de este efecto. Cuando los vikingos se perdieron en medio del Océano Atlántico, su rey sacó cierta piedra del sol y, en la luz del crepúsculo, logró determinar la dirección hacia el oeste, y así navegaron hacia América. Nadie sabe qué es una piedra del sol, pero muchos historiadores creen que una piedra del sol es lo que Vika tiene en sus manos, cordierita, por cierto, la cordierita se encuentra en la costa de Noruega, y con la ayuda de este cristal realmente puedes navegar. en el crepúsculo, en la luz del atardecer, así como en latitudes polares. Y este efecto fue utilizado por la Fuerza Aérea de los EE. UU. hasta los años 50, cuando fue reemplazado por métodos más avanzados. Y aquí hay otro efecto interesante: alejandrita, si alguien tiene un deseo, traje un cristal de alejandrita sintética, y su color cambia según la fuente de luz: a la luz del día y eléctrica. Y, finalmente, hay otro efecto interesante que los científicos y los críticos de arte no pudieron comprender durante muchos siglos. La Copa Lycurgus es un objeto que fue elaborado por artesanos romanos hace más de 2.000 años. En luz difusa, esta copa es verde y en luz transmitida, es roja. Y logré entender esto hace apenas unos años. Resultó que el recipiente no está hecho de vidrio puro, sino que contiene nanopartículas de oro que crean este efecto. Ahora entendemos la naturaleza del color: el color está asociado con ciertos rangos de absorción, con la estructura electrónica de la materia, y esto, a su vez, está asociado con la estructura atómica de la materia.

Pregunta desde el piso:¿Se pueden explicar los conceptos de "reflejado" y "pasando"?

Artem Oganov:¡Poder! Por cierto, observo que estos mismos espectros de absorción determinan por qué la cordierita tiene un color diferente en diferentes direcciones. El hecho es que la estructura misma del cristal, en particular, la cordierita, se ve diferente en diferentes direcciones, y la luz se absorbe de manera diferente en estas direcciones.

¿Qué es la luz blanca? Este es el espectro completo desde el rojo hasta el violeta, y cuando la luz pasa a través del cristal, parte de ese rango es absorbido. Por ejemplo, un cristal puede absorber el color azul y puede ver cuál será el resultado de esta tabla. Si absorbe rayos azules, entonces la salida será naranja, es decir, cuando ve algo naranja, sabe que esta sustancia se absorbe en el rango azul. La luz difusa es cuando tienes la misma copa de Lycurgus sobre la mesa, la luz cae y parte de esta luz se dispersa y entra en tus ojos. La dispersión de la luz obedece a leyes completamente diferentes y, en particular, depende de la granulosidad del objeto. Debido a la dispersión de la luz, el cielo es azul. Hay una ley de dispersión de Rayleigh que se puede usar para explicar estos colores.

Te mostré cómo las propiedades están relacionadas con la estructura. Y cómo es posible predecir la estructura cristalina, lo consideraremos brevemente ahora. Esto significa que el problema de predecir estructuras cristalinas hasta hace muy poco se consideraba irresoluble. Este problema en sí se formula de la siguiente manera: ¿cómo encontrar la disposición de los átomos que proporcione la máxima estabilidad, es decir, la menor energía? ¿Cómo hacerlo? Por supuesto, puede ordenar todas las opciones para la disposición de los átomos en el espacio, pero resulta que hay tantas opciones de este tipo que no tendrá suficiente vida para ordenarlas, de hecho, incluso para bastante simple sistemas, digamos, con 20 átomos, necesitarás más del tiempo de vida del universo para recorrer todas estas posibles combinaciones en la computadora. Por lo tanto, se consideró que este problema era irresoluble. Sin embargo, este problema fue resuelto, y por varios métodos, y el método más efectivo, aunque suene poco modesto, fue desarrollado por mi grupo. El método se llama "Éxito", "USPEX", un método evolutivo, un algoritmo evolutivo, cuya esencia intentaré explicarles ahora. La tarea es equivalente a encontrar el máximo global en alguna superficie multidimensional; para simplificar, considere una superficie bidimensional, la superficie de la Tierra, donde necesita encontrar la montaña más alta sin tener mapas. Pongámoslo de la forma en que lo expresó mi colega australiano Richard Clegg: él es australiano, ama a los canguros, y en su formulación con la ayuda de canguros, animales poco inteligentes, necesita determinar el punto más alto en la superficie de la Tierra. Kangaroo solo entiende instrucciones simples: sube, baja. En el algoritmo evolutivo, soltamos un aterrizaje canguro, al azar, en diferentes puntos del planeta y le damos a cada uno de ellos una instrucción: sube a la cima de la colina más cercana. Y se van. Cuando estos canguros llegan a Sparrow Hills, por ejemplo, y cuando llegan tal vez a Elbrus, aquellos de ellos que no se drogaron son eliminados, devueltos. Viene un cazador, casi digo, un artista, viene un cazador y dispara, y los que sobrevivieron obtienen el derecho a reproducirse. Y gracias a esto, es posible seleccionar las áreas más prometedoras de todo el espacio de búsqueda. Y paso a paso, disparando canguros cada vez más altos, llevarás la población de canguros a un máximo global. Los canguros producirán más y más crías exitosas, los cazadores dispararán a los canguros trepadores cada vez más altos y, por lo tanto, esta población simplemente puede ser conducida al Everest.

Y esta es la esencia de los métodos evolutivos. Para simplificar, omito los detalles técnicos de cómo se implementó exactamente. Y aquí hay otra implementación bidimensional de este método, aquí está la superficie de energía, necesitamos encontrar el punto más azul, aquí están nuestras estructuras iniciales, aleatorias, estos son los puntos en negrita. El cálculo comprende de inmediato cuáles de ellos son malos, aquí, en las áreas rojas y amarillas, cuáles son las más prometedoras: en las áreas azules, verdosas. Y paso a paso, la densidad de muestreo de las áreas más prometedoras aumenta hasta encontrar la estructura más adaptada y estable. Existen diferentes métodos para predecir estructuras: métodos de búsqueda aleatoria, recocido artificial, etc., pero el método más poderoso resultó ser este evolutivo.

Lo más difícil es cómo producir descendientes de padres en una computadora. ¿Cómo tomar dos estructuras parentales y convertirlas en un hijo? De hecho, en una computadora, puedes hacer hijos no solo de dos padres, experimentamos, nosotros de tres y de cuatro intentamos hacerlo. Pero resulta que esto no conduce a nada bueno, como en la vida. Un niño es mejor si hay dos padres. Por cierto, uno de los padres también funciona, dos padres son óptimos y tres o cuatro ya no funcionan. El método evolutivo tiene varias características interesantes que, por cierto, tienen en común con la evolución biológica. Vemos cómo, a partir de estructuras aleatorias no adaptadas con las que comenzamos el cálculo, aparecen soluciones muy organizadas y muy ordenadas en el transcurso del cálculo. Vemos que los cálculos son más efectivos cuando la población de estructuras es la más diversa. Las poblaciones más estables y sobrevivientes son las poblaciones de diversidad. Aquí, por ejemplo, lo que me gusta de Rusia es el hecho de que hay más de 150 naciones en Rusia. Hay rubios, hay morenos, hay todo tipo de personas de nacionalidad caucásica como yo, y todo esto le da estabilidad y futuro a la población rusa. Las poblaciones monótonas no tienen futuro. Esto se puede ver muy claramente a partir de los cálculos evolutivos.

¿Podemos predecir que la forma estable de carbono a presiones atmosféricas es el grafito? Si. Este cálculo es muy rápido. Pero además del grafito, producimos varias soluciones interesantes y un poco menos estables en el mismo cálculo. Y estas soluciones también pueden ser interesantes. Si aumentamos la presión, el grafito ya es inestable. Un diamante es estable, y además lo encontramos con mucha facilidad. Vea cómo el cálculo produce rápidamente un diamante a partir de estructuras iniciales desordenadas. Pero antes de que se encuentre un diamante, se producen varias estructuras interesantes. Por ejemplo, aquí está esta estructura. Mientras que el diamante tiene anillos hexagonales, aquí se ven anillos de 5 y 7 ángulos. Esta estructura es solo un poco menos estable que el diamante, y al principio pensamos que era una curiosidad, pero luego resultó que se trata de una nueva forma de carbono realmente existente, que fue establecida recientemente por nosotros y nuestros colegas. Este cálculo se realizó a 1 millón de atmósferas. Si aumentamos la presión a 20 millones de atmósferas, el diamante dejará de ser estable. Y en lugar de diamante, será estable una estructura muy extraña, cuya estabilidad para el carbono a tales presiones se ha sospechado durante muchas décadas, y nuestro cálculo lo confirma.

Hemos hecho mucho por nosotros y nuestros colegas con la ayuda de este método, aquí hay una pequeña selección de diferentes descubrimientos. Permítanme hablar de algunos de ellos.

Con este método, es posible reemplazar el descubrimiento de materiales en el laboratorio por uno informático. En el laboratorio de descubrimiento de materiales, Edison fue el campeón insuperable, diciendo: "No sufrí 10 mil fallas, solo encontré 10 mil formas que no funcionan". Esto le dice cuántos intentos, intentos fallidos hacer antes de hacer un descubrimiento real con este método, y con la ayuda del diseño de computadora, puede lograr el éxito en 1 intento de 1, 100 de 100, 10 mil de 10 mil , este es nuestro objetivo es reemplazar el método Edison con algo mucho más productivo.

Ahora podemos optimizar no solo la energía, sino cualquier propiedad. La propiedad más simple es la densidad, y el material más denso conocido hasta ahora es el diamante. Diamond es generalmente un poseedor de récords en muchos aspectos. Hay más átomos en un centímetro cúbico de diamante que en un centímetro cúbico de cualquier otra sustancia. El diamante tiene el récord de dureza y también es la sustancia menos comprimible conocida. ¿Se pueden romper estos récords? Ahora podemos hacerle esta pregunta a la computadora, y la computadora responderá. Y la respuesta es sí, algunos de estos récords se pueden romper. Resultó que es bastante fácil vencer al diamante en términos de densidad, hay formas más densas de carbono que tienen derecho a existir, pero que aún no se han sintetizado. Estas formas de carbono superan al diamante no solo en densidad sino también en propiedades ópticas. Tendrán índices de refracción y dispersión de luz más altos, ¿qué significa eso? El índice de refracción de un diamante le da al diamante su brillo inigualable y su reflejo interno de la luz, y la dispersión de la luz significa que la luz blanca se dividirá en un espectro que va del rojo al violeta incluso más que un diamante. Aquí, por cierto, está el material que a menudo reemplaza al diamante en la industria de la joyería: zirconia cúbica, zirconia cúbica. Supera al diamante en dispersión de luz, pero, desafortunadamente, es inferior al diamante en brillo. Y las nuevas formas de carbono vencerán al diamante en ambos aspectos. ¿Qué pasa con la dureza? Hasta 2003 se creía que la dureza es una propiedad que las personas nunca aprenderán a predecir y calcular, en 2003 todo cambió con el trabajo de científicos chinos, y este verano visité la Universidad de Yangshan en China, donde recibí otra cátedra honoraria, y allí visité al fundador de toda esta teoría. Hemos desarrollado esta teoría.

Aquí hay una tabla que muestra cómo las definiciones de dureza calculadas concuerdan con el experimento. Para la mayoría de las sustancias normales, la concordancia es excelente, pero para el grafito, los modelos predijeron que debería ser muy duro, lo que obviamente es incorrecto. Logramos comprender y corregir este error. Y ahora, con este modelo, podemos predecir de forma fiable la dureza de cualquier sustancia, y podemos hacerle a la computadora la siguiente pregunta: ¿cuál es la sustancia más dura? ¿Es posible superar al diamante en dureza? La gente ha estado pensando en esto durante muchas, muchas décadas. Entonces, ¿cuál es la estructura más dura que tiene el carbono? La respuesta fue desalentadora: diamante, y no puede haber nada más duro en carbono. Pero puede encontrar estructuras de carbono que estarán cerca del diamante en dureza. Las estructuras de carbono que tienen una dureza cercana al diamante realmente tienen derecho a existir. Y uno de ellos es el que les mostré anteriormente, con canales de 5 y 7 miembros. Dubrovinsky en 2001 propuso en la literatura una sustancia ultra dura: el dióxido de titanio, se creía que no era muy inferior al diamante en dureza, pero había dudas. El experimento fue bastante controvertido. Casi todas las medidas experimentales de ese trabajo fueron refutadas tarde o temprano: era muy difícil medir la dureza, debido al pequeño tamaño de las muestras. Pero el cálculo mostró que la dureza también se midió erróneamente en ese experimento, y la dureza real del dióxido de titanio es aproximadamente 3 veces menor de lo que afirmaron los experimentadores. Entonces, con la ayuda de este tipo de cálculos, incluso se puede juzgar qué experimento es confiable y cuál no, por lo que estos cálculos ahora han alcanzado una gran precisión.

Hay otra historia relacionada con el carbono que me gustaría contarles: ha sido especialmente violenta en los últimos 6 años. Pero comenzó hace 50 años, cuando investigadores estadounidenses realizaron un experimento de este tipo: tomaron grafito y lo comprimieron a una presión de entre 150 y 200 mil atmósferas. Si el grafito se comprime a altas temperaturas, debe convertirse en diamante, la forma más estable de carbono a altas presiones: así es como se sintetiza el diamante. Si haces este experimento a temperatura ambiente, entonces no se puede formar el diamante. ¿Por qué? Debido a que el reordenamiento de la estructura que se requiere para transformar el grafito en diamante es demasiado grande, estas estructuras son demasiado diferentes y la barrera de energía a superar es demasiado grande. Y en lugar de la formación de un diamante, observaremos la formación de alguna otra estructura, no la más estable, pero sí la que tiene la barrera de formación más baja. Propusimos tal estructura, y la llamamos M-carbono, esta es la misma estructura con anillos de 5 y 7 miembros; mis amigos armenios lo llaman en broma "mcarbon-shmugler". Resultó que esta estructura describe completamente los resultados de ese experimento hace 50 años, y la experiencia se repitió muchas veces. El experimento, por cierto, es muy hermoso: al comprimir grafito (un semimetal negro, suave y opaco) a temperatura ambiente, bajo presión, los investigadores obtuvieron un no metal superduro transparente: ¡una transformación absolutamente fantástica! Pero esto no es un diamante, sus propiedades no concuerdan con las del diamante, y nuestra estructura hipotética de entonces describía completamente las propiedades de esta sustancia. Estábamos encantados, escribimos un artículo y lo publicamos en la prestigiosa revista Physical Review Letters, y nos dormimos en los laureles durante exactamente un año. Un año después, científicos estadounidenses y japoneses encontraron una nueva estructura, completamente diferente a ésta, ésta, con anillos de 4 y 8 miembros. Esta estructura es completamente diferente a la nuestra, pero describe casi igual de bien los datos experimentales. El problema es que los datos experimentales eran de baja resolución, y muchas otras estructuras les servían. Pasaron otros seis meses, un chino llamado Wang propuso W-carbon, y W-carbon también explicó los datos experimentales. Pronto la historia se volvió grotesca: se unieron nuevas bandas chinas, y a los chinos les encanta producir, y estamparon unas 40 estructuras, y todas encajaban en los datos experimentales: P-, Q-, R-, S-carbon, Q-carbon. , X -, Y-, Z-carbono, M10-carbono es conocido, X'-carbono, etc., incluso el alfabeto no es suficiente. Entonces, ¿quién tiene razón? En términos generales, nuestro M-carbon al principio tenía exactamente el mismo derecho a afirmar que tenía razón que todos los demás.

Respuesta de la audiencia: Todo el mundo tiene razón.

Artem Oganov:¡Esto tampoco pasa! El hecho es que la naturaleza siempre elige soluciones extremas. No solo las personas son extremistas, sino que la naturaleza también es extremista. A altas temperaturas, la naturaleza elige el estado más estable, porque a altas temperaturas puedes atravesar cualquier barrera energética, y a bajas temperaturas, la naturaleza elige la barrera más pequeña, y solo puede haber un ganador. Solo puede haber un campeón, pero ¿quién exactamente? Puedes hacer un experimento de alta resolución, pero la gente lo ha estado intentando durante 50 años y nadie tuvo éxito, todos los resultados fueron de mala calidad. Puedes hacer el cálculo. Y en el cálculo sería posible considerar las barreras de activación para la formación de todas estas 40 estructuras. Pero, en primer lugar, los chinos todavía están produciendo estructuras nuevas y nuevas, y no importa cuánto lo intentes, todavía habrá algunos chinos que dirán: tengo una estructura más, y las contarás por el resto de tu vida. Activación de barreras hasta que te envíen a un merecido descanso. Esta es la primera dificultad. La segunda dificultad es que es muy, muy difícil contar las barreras de activación en las transformaciones de estado sólido, esta es una tarea extremadamente no trivial, se necesitan métodos especiales y computadoras poderosas. El hecho es que estas transformaciones no ocurren en todo el cristal, sino primero en un pequeño fragmento: el embrión, y luego se propaga al núcleo y más. Y modelar este embrión es una tarea extremadamente difícil. Pero encontramos un método de este tipo, un método que fue desarrollado anteriormente por científicos austriacos y estadounidenses, y lo adaptamos a nuestra tarea. Conseguimos modificar este método de tal manera que de un solo golpe pudimos resolver este problema de una vez por todas. Planteamos el problema de la siguiente manera: si comienza con grafito, un estado inicial codificado de forma rígida, y el estado final se da vagamente: cualquier forma de carbono tetraédrica con hibridación sp3 (y estos son los estados que esperamos bajo presión), entonces ¿cuál de las barreras será mínima? Este método puede contar barreras y encuentra la barrera mínima, pero si establecemos el estado final como un conjunto de diferentes estructuras, entonces podemos resolver el problema por completo. Iniciamos el cálculo con la transformación grafito-diamante como "semilla", sabemos que esta transformación no se observa en el experimento, pero nos preguntábamos qué haría el cálculo con esta transformación. Esperamos un poco (de hecho, este cálculo tomó medio año en una supercomputadora), y en lugar de un diamante, el cálculo nos dio M-carbono.

En general, debo decir que soy una persona extremadamente afortunada, tenía 1/40 de posibilidades de ganar, porque había alrededor de 40 estructuras que tenían las mismas posibilidades de ganar, pero nuevamente saqué un boleto de lotería. Nuestro M-carbon ganó, publicamos nuestros resultados en la prestigiosa nueva revista Scientific Reports, la nueva revista del grupo Nature, y un mes después de publicar nuestros resultados teóricos, se publicaron los resultados de un experimento de alta resolución en la misma revista. , por primera vez en 50 años. recibido. Los investigadores de la Universidad de Yale realizaron un experimento de alta resolución y probaron todas estas estructuras, y resultó que solo el carbono M satisface todos los datos experimentales. Y ahora en la lista de formas de carbono hay un alótropo de carbono más experimental y teóricamente establecido, M-carbono.

Mencionaré una transformación alquímica más. Bajo presión, se espera que todas las sustancias se conviertan en un metal, tarde o temprano cualquier sustancia se convertirá en un metal. ¿Y qué pasará con la sustancia, que inicialmente ya era un metal? Por ejemplo, sodio. El sodio no es solo un metal, sino un metal asombroso, descrito por el modelo de electrones libres, es decir, es un caso extremo de un buen metal. ¿Qué pasa si exprimes el sodio? Resulta que el sodio ya no será un buen metal; al principio, el sodio se convertirá en un metal unidimensional, es decir, la electricidad solo se conducirá en una dirección. A presiones más altas, predijimos que el sodio perdería su metalicidad por completo y se convertiría en un dieléctrico transparente rojizo, y si la presión aumentaba aún más, se volvería incoloro como el vidrio. Entonces, tomas un metal plateado, lo aprietas, al principio se convierte en un metal malo, negro como el carbón, aprietas más, se convierte en un cristal transparente rojizo que parece un rubí, y luego se vuelve blanco como el vidrio. Lo predijimos, y la revista Nature, donde lo enviamos, se negó a publicarlo. El editor devolvió el texto a los pocos días y dijo: no lo creemos, es demasiado exótico. Encontramos a un experimentador, Mikhail Yeremets, que estaba listo para probar esta predicción, y este es el resultado. A 110 gigapascales, eso es 1,1 millones de atmósferas, sigue siendo un metal plateado, a 1,5 millones de atmósferas, es un metal malo de color negro azabache. A 2 millones de atmósferas, es un no metal rojizo transparente. Y ya con este experimento, publicamos nuestros resultados muy fácilmente. Por cierto, este es un estado bastante exótico de la materia, porque los electrones ya no están dispersos en el espacio (como en los metales) y no están localizados en átomos o enlaces (como en las sustancias iónicas y covalentes): los electrones de valencia, que proporcionaron la metalicidad. al sodio, quedan atrapados en espacios vacíos, donde no hay átomos, y están muy fuertemente localizados. Tal sustancia puede llamarse electruro, es decir sal, donde el papel de los iones cargados negativamente, los aniones, no lo desempeñan los átomos (digamos, flúor, cloro, oxígeno), sino racimos de densidad electrónica, y nuestra forma de sodio es el ejemplo más simple y sorprendente de un electrido conocido. .

Dichos cálculos también se pueden utilizar para comprender la sustancia del interior de la Tierra y del planeta. Aprendemos sobre el estado del interior de la tierra principalmente de datos indirectos, de datos sismológicos. Sabemos que hay un núcleo metálico de la Tierra, que consiste principalmente en hierro, y una capa no metálica, que consiste en silicatos de magnesio, llamada manto, y cerca de la misma superficie hay una delgada corteza terrestre sobre la cual vivimos, y que conocemos muy bien. Y el interior de la Tierra nos es casi completamente desconocido. Mediante pruebas directas, solo podemos estudiar la superficie misma de la Tierra. El pozo más profundo es Kola Superdeep, su profundidad es de 12,3 kilómetros, perforado en la URSS, nadie podría perforar más. Los estadounidenses intentaron perforar, quebraron en este proyecto y lo detuvieron. Se invirtieron enormes sumas en la URSS, perforaron hasta 12 kilómetros, luego sucedió la perestroika y el proyecto se congeló. Pero el radio de la Tierra es 500 veces mayor, e incluso el pozo súper profundo de Kola perforó solo la superficie del planeta. Pero la sustancia de las profundidades de la Tierra determina la faz de la Tierra: terremotos, vulcanismo, deriva continental. El campo magnético se forma en el núcleo de la Tierra, al que nunca llegaremos. La convección del núcleo exterior fundido de la Tierra es responsable de la formación del campo magnético terrestre. Por cierto, el núcleo interno de la Tierra es sólido y el externo está fundido, es como un dulce de chocolate con chocolate derretido, y dentro hay una nuez: así es como puedes imaginar el núcleo de la Tierra. La convección del manto sólido de la Tierra es muy lenta, su velocidad es de alrededor de 1 centímetro por año; los flujos más calientes suben, los más fríos bajan, y este es el movimiento convectivo del manto terrestre y es responsable de la deriva continental, el vulcanismo, los terremotos.

Una pregunta importante es ¿cuál es la temperatura en el centro de la Tierra? Conocemos la presión a partir de modelos sismológicos, pero estos modelos no dan temperatura. La temperatura se determina de la siguiente manera: sabemos que el núcleo interno es sólido, el núcleo externo es líquido y que el núcleo está hecho de hierro. Entonces, si conoce el punto de fusión del hierro a esa profundidad, entonces conoce la temperatura central a esa profundidad. Se hicieron experimentos, pero dieron una incertidumbre de 2 mil grados, y se hicieron cálculos, y los cálculos pusieron fin a este problema. La temperatura de fusión del hierro en el límite del núcleo interior y exterior era de unos 6,4 mil grados Kelvin. Pero cuando los geofísicos se enteraron de este resultado, resultó que esta temperatura es demasiado alta para reproducir correctamente las características del campo magnético de la Tierra: esta temperatura es demasiado alta. Y luego los físicos recordaron que, de hecho, el núcleo no es de hierro puro, sino que contiene varias impurezas. Qué, todavía no lo sabemos exactamente, pero entre los candidatos están el oxígeno, el silicio, el azufre, el carbono, el hidrógeno. Al variar las diferentes impurezas, comparando sus efectos, fue posible comprender que el punto de fusión debería reducirse unos 800 grados. 5600 grados Kelvin es una temperatura de este tipo en el borde de los núcleos interno y externo de la Tierra, y esta estimación se acepta generalmente en la actualidad. Este efecto de bajar la temperatura por las impurezas, la bajada eutéctica del punto de fusión, es bien conocido, por este efecto, nuestros zapatos sufren en invierno - las carreteras se rocían con sal para bajar el punto de fusión de la nieve, y por esto, la nieve sólida, el hielo se convierte en estado líquido, y nuestros zapatos sufren de esta agua salada.

Pero quizás el ejemplo más poderoso del mismo fenómeno es la aleación de Wood, una aleación que consta de cuatro metales, bismuto, plomo, estaño y cadmio, cada uno de estos metales tiene un punto de fusión relativamente alto, pero el efecto de la reducción mutua de el punto de fusión trabaja tan duro que la aleación de Wood se derrite en agua hirviendo. ¿Quién quiere hacer esta experiencia? Por cierto, compré esta muestra de aleación de Wood en Ereván en el mercado negro, lo que probablemente le dará a esta experiencia un sabor adicional.

Vierta agua hirviendo y sujetaré la aleación de Wood, y verá cómo las gotas de aleación de Wood caerán en el vaso.

Las gotas están cayendo, eso es suficiente. Se derrite a la temperatura del agua caliente.

Y este efecto se da en el núcleo de la Tierra, debido a esto, el punto de fusión de la aleación ferrosa disminuye. Pero ahora la siguiente pregunta es: ¿en qué consiste el núcleo? Sabemos que hay mucho hierro y algo de elementos ligeros-impurezas, tenemos 5 candidatos. Empezamos con los candidatos menos probables, el carbono y el hidrógeno. Debo decir que hasta hace poco, pocas personas prestaban atención a estos candidatos, ambos se consideraban poco probables. Decidimos comprobarlo. Junto con un empleado de la Universidad Estatal de Moscú, Zulfiya Bazhanova, decidimos asumir esta tarea para predecir las estructuras estables y las composiciones estables de los carburos e hidruros de hierro en las condiciones del núcleo de la Tierra. También hicimos esto para el silicio, donde no encontramos sorpresas especiales, y para el carbono, resultó que esos compuestos que se consideraron estables durante muchas décadas, de hecho, resultan ser inestables a las presiones del núcleo de la Tierra. Y resulta que el carbono es un muy buen candidato, de hecho, el carbono por sí solo puede explicar perfectamente muchas propiedades del núcleo interno de la Tierra, al contrario de trabajos anteriores. El hidrógeno, por otro lado, resultó ser un candidato bastante pobre; ni una sola propiedad del núcleo de la Tierra puede explicarse solo con hidrógeno. El hidrógeno puede estar presente en pequeñas cantidades, pero no puede ser el principal elemento de impureza en el núcleo de la Tierra. Para los hidruros de hidrógeno presurizados, encontramos una sorpresa: resultó que hay un compuesto estable con una fórmula que contradice la química escolar. Un químico normal escribirá las fórmulas de los hidruros de hidrógeno como FeH 2 y FeH 3 , en términos generales, el FeH también aparece bajo presión, y lo soportan, pero el hecho de que el FeH 4 pueda ocurrir bajo presión fue una verdadera sorpresa. Si nuestros hijos en la escuela escriben la fórmula FeH 4, les garantizo que obtendrán una A en Química, muy probablemente incluso en un trimestre. Pero resulta que bajo presión, se violan las reglas de la química, y aparecen compuestos tan exóticos. Pero, como dije, es poco probable que los hidruros de hierro sean importantes para el interior de la Tierra, es poco probable que el hidrógeno esté presente allí en cantidades significativas, pero lo más probable es que el carbono esté presente.

Y, finalmente, la última ilustración, sobre el manto terrestre, o mejor dicho, sobre el límite entre el núcleo y el manto, la llamada capa D, que tiene unas propiedades muy extrañas. Una de las propiedades era la anisotropía de la propagación de las ondas sísmicas, las ondas sonoras: en dirección vertical y en dirección horizontal, las velocidades difieren significativamente. ¿Por que es esto entonces? Durante mucho tiempo no pude entender. Resulta que se forma una nueva estructura de silicato de magnesio en la capa en el límite del núcleo y el manto de la Tierra. Logramos entender esto hace 8 años. Al mismo tiempo, nosotros y nuestros colegas japoneses publicamos 2 artículos en Science and Nature, que probaron la existencia de esta nueva estructura. Se puede ver de inmediato que esta estructura se ve completamente diferente en diferentes direcciones, y sus propiedades deben diferir en diferentes direcciones, incluidas las propiedades elásticas que son responsables de la propagación de las ondas sonoras. Con la ayuda de esta estructura, fue posible explicar todas esas anomalías físicas que se descubrieron y causaron problemas durante muchos, muchos años. Incluso logré hacer algunas predicciones.

En particular, los planetas más pequeños como Mercurio y Marte no tendrán una capa como la capa D”. No hay suficiente presión para estabilizar esta estructura. También fue posible hacer una predicción de que a medida que la Tierra se enfría, esta capa debería crecer, porque la estabilidad de la post-perovskita aumenta con la disminución de la temperatura. Es posible que cuando se formó la Tierra, esta capa no existiera en absoluto, y nació en la fase temprana del desarrollo de nuestro planeta. Y ahora todo esto se puede entender gracias a las predicciones de nuevas estructuras de sustancias cristalinas.

Respuesta de la audiencia: Gracias al algoritmo genético.

Artem Oganov: Sí, aunque esta última historia sobre la posperovskita precedió a la invención de este método evolutivo. Por cierto, ella me impulsó a inventar este método.

Respuesta de la audiencia: Entonces, este algoritmo genético tiene 100 años, simplemente no hicieron nada allí.

Artem Oganov: Este algoritmo fue creado por mí y mi estudiante graduado en 2006. Por cierto, llamarlo "genético" es incorrecto, el nombre más correcto es "evolutivo". Los algoritmos evolutivos aparecieron en los años 70 y han encontrado aplicación en muchas áreas de la tecnología y la ciencia. Por ejemplo, los automóviles, barcos y aviones se optimizan mediante algoritmos evolutivos. Pero para cada nueva tarea, el algoritmo evolutivo es completamente diferente. Los algoritmos evolutivos no son un método, sino un gran grupo de métodos, toda una gran área de matemáticas aplicadas, y para cada nuevo tipo de problema, se debe inventar un nuevo enfoque.

Respuesta de la audiencia:¿Qué matemáticas? es la genetica

Artem Oganov: No es genética, son matemáticas. Y para cada nueva tarea, debe inventar su nuevo algoritmo desde cero. Y la gente realmente intentó inventar algoritmos evolutivos antes que nosotros y adaptarlos para predecir estructuras cristalinas. Pero tomaron algoritmos de otras áreas demasiado literalmente, y no funcionó, así que tuvimos que crear un nuevo método desde cero, y resultó ser muy poderoso. Aunque el campo de los algoritmos evolutivos ha existido durante tanto tiempo como yo, al menos desde 1975, la predicción de estructuras cristalinas ha requerido bastante esfuerzo para crear un método de trabajo.

Todos estos ejemplos que les di muestran cómo la comprensión de la estructura de la materia y la capacidad de predecir la estructura de la materia conducen al diseño de nuevos materiales que pueden tener interesantes propiedades ópticas, mecánicas y electrónicas. Materiales que componen el interior de la Tierra y otros planetas. En este caso, puede resolver una amplia gama de tareas interesantes en una computadora utilizando estos métodos. Mis empleados y más de 1000 usuarios de nuestro método en diferentes partes del mundo hicieron una gran contribución al desarrollo de este método y su aplicación. Permítanme agradecer sinceramente a todas estas personas ya los organizadores de esta conferencia, ya usted, por su atención.

Discusión de la conferencia

Boris Dolguin:¡Muchas gracias! Muchas gracias Artem, muchas gracias a los organizadores que nos brindaron una plataforma para esta versión de conferencias públicas, muchas gracias a RVC que nos apoyó en esta iniciativa, estoy seguro que la investigación de Artyom continuará, lo cual significa que tendremos material nuevo para su conferencia aquí, porque hay que decir que algo de lo que se dijo hoy en realidad no existía en el momento de las conferencias anteriores, por lo que tiene sentido.

Pregunta desde el piso: Dígame, por favor, ¿cómo garantizar la temperatura ambiente a una presión tan alta? Todo sistema de deformación plástica va acompañado de liberación de calor. Desafortunadamente, no lo dijiste.

Artem Oganov: El hecho es que todo depende de qué tan rápido comprimas. Si la compresión se lleva a cabo muy rápidamente, por ejemplo, en ondas de choque, necesariamente se acompaña de calentamiento, la compresión brusca necesariamente conduce a un aumento de la temperatura. Si realiza la compresión lentamente, entonces la muestra tiene tiempo suficiente para intercambiar calor con su entorno y alcanzar el equilibrio térmico con su entorno.

Pregunta desde el piso:¿Y su configuración le permite hacer esto?

Artem Oganov: El experimento no lo realicé yo, solo hice cálculos y teoría. No me permito experimentar debido a la censura interna. Y el experimento se llevó a cabo en cámaras con yunques de diamantes, donde se exprime una muestra entre dos pequeños diamantes. En tales experimentos, la muestra tiene tanto tiempo para alcanzar el equilibrio térmico que la pregunta no surge aquí.

- Hablemos del diseño por ordenador de nuevos materiales. Primero, ¿qué es? ¿Área de conocimiento? ¿Cuándo surge la idea y este enfoque?

— La región es bastante nueva, solo tiene unos pocos años. En sí mismo, el diseño asistido por computadora de nuevos materiales ha sido el sueño de investigadores, tecnólogos y científicos fundamentales durante muchas décadas. Porque el proceso de descubrir un nuevo material con las propiedades que necesitas suele llevar muchos años o incluso décadas de trabajo de institutos y laboratorios enteros. Este es un proceso muy costoso, al final del cual puede sentirse decepcionado. Es decir, no siempre puedes inventar dicho material. Pero incluso cuando logras el éxito, el éxito puede llevar muchos años de trabajo. Esto no nos conviene en absoluto ahora, queremos inventar nuevos materiales, nuevas tecnologías lo más rápido posible.

- ¿Puedes dar un ejemplo de un material que no se pueda o no se pueda inventar?

- Si seguro. Por ejemplo, durante muchas décadas la gente ha estado tratando de encontrar un material más duro que el diamante. Ha habido cientos de publicaciones sobre este tema. En algunos de ellos, la gente afirmaba haber encontrado un material más duro que el diamante, pero luego, inevitablemente, después de un tiempo (normalmente no mucho), estas afirmaciones fueron refutadas y resultó que se trataba de una ilusión. Hasta ahora, no se ha encontrado tal material, y está bastante claro por qué. Con la ayuda de nuestros métodos, pudimos demostrar que esto es fundamentalmente imposible, por lo que no hay tiempo que perder.

- Y si solo tratas de explicar ¿por qué no?

- Una propiedad como la dureza tiene un límite finito para cada material dado. Si tomamos todos los materiales que es posible tomar, resulta que hay un cierto límite superior global. Da la casualidad de que este límite superior corresponde a un diamante. ¿Por qué un diamante? Porque varias condiciones se cumplen simultáneamente en esta estructura: enlaces químicos muy fuertes, una densidad muy alta de estos enlaces químicos y están distribuidos uniformemente en el espacio. No hay una dirección que sea mucho más dura que la otra, es una sustancia muy dura en todas las direcciones. El mismo grafito, por ejemplo, tiene enlaces más fuertes que el diamante, pero todos estos enlaces están ubicados en el mismo plano, y los enlaces muy débiles interactúan entre los planos, y esta dirección débil hace que todo el cristal sea suave.

- ¿Cómo se desarrolló el método y cómo trataron de mejorarlo los científicos?

- El gran Edison dijo, en mi opinión, en relación con su invención de la bombilla incandescente: "No he fallado diez mil veces, pero solo encontré diez mil formas que no funcionan". Este es el estilo tradicional de búsqueda de nuevos materiales, que en la literatura científica se denomina edisoniano. Y, por supuesto, la gente siempre ha querido alejarse de este método, porque requiere una rara suerte edisoniana y una paciencia edisoniana. Y mucho tiempo además de dinero. Este método no es muy científico, es más bien un "empujón" científico. Y la gente siempre ha querido alejarse de eso. Cuando aparecieron las computadoras y comenzaron a resolver problemas más o menos complejos, inmediatamente surgió la pregunta: “¿Se pueden resolver todas estas combinaciones de varias condiciones, temperaturas, presiones, potenciales químicos, composición química en una computadora en lugar de hacerlo en un laboratorio? ?” Las expectativas eran muy altas al principio. La gente lo miraba un poco optimista y eufórica, pero pronto todos estos sueños se hicieron añicos en la vida cotidiana. Por los métodos por los cuales la gente trató de resolver el problema, nada se puede lograr en principio.

- ¿Por qué?

“Porque hay infinitas opciones para diferentes arreglos de átomos en la estructura de un cristal, y cada uno de ellos tendrá propiedades completamente diferentes. Por ejemplo, el diamante y el grafito son la misma sustancia, y debido a que la estructura es diferente, sus propiedades son radicalmente diferentes. Por lo tanto, puede haber un número infinito de opciones diferentes que difieren tanto del diamante como del grafito. ¿Con qué comenzarás? ¿Dónde te detendrás? ¿Cuánto tiempo va a durar? Y si también introduces una variable de composición química, entonces también puedes encontrar un número infinito de composiciones químicas diferentes, y la tarea se vuelve insoportablemente difícil. Muy rápidamente, la gente se dio cuenta de que los métodos tradicionales y estándar para resolver este problema no conducen a absolutamente nada. Este pesimismo enterró por completo las primeras esperanzas que la gente había albergado desde los años 60.

— El diseño por ordenador todavía se concibe o al menos se siente como algo visual. Según tengo entendido, en los años 60, 70 u 80, esto todavía no es una solución visual, sino matemática, es decir, es un cálculo, un cálculo más rápido.

- Como entiendes, cuando obtienes números en una computadora, siempre puedes visualizarlos, pero esto no es lo único.

- En general, es solo una cuestión de la preparación de la tecnología para hacer esto.

- Sí. El conteo numérico es primordial, porque siempre puedes hacer una imagen a partir de números, y probablemente también puedas hacer números a partir de una imagen, aunque no es muy preciso. Hubo una serie de publicaciones famosas desde mediados de los 80 hasta mediados de los 90, que finalmente inculcaron el pesimismo en nuestro campo. Por ejemplo, hubo una publicación maravillosa que decía que incluso sustancias tan simples como el grafito o el hielo son absolutamente imposibles de predecir. O había un artículo llamado "Son predecibles las estructuras cristalinas" y la primera palabra de ese artículo era "no".

¿Qué significa "predecible"?

— La tarea de predecir la estructura cristalina es el núcleo de todo el campo del diseño de nuevos materiales. Dado que la estructura determina las propiedades de una sustancia, para predecir una sustancia con las propiedades deseadas, se debe predecir la composición y la estructura. El problema de predecir la estructura cristalina se puede formular de la siguiente manera: supongamos que hemos dado la composición química, supongamos que está fija, por ejemplo, el carbono. ¿Cuál será la forma más estable de carbono en determinadas condiciones? En condiciones normales, sabemos la respuesta: será grafito; a altas presiones, también sabemos la respuesta: es un diamante. Pero crear un algoritmo que pueda darte eso está demostrando ser una tarea muy difícil. O puede formular el problema de otra manera. Por ejemplo, para el mismo carbono: ¿cuál sería la estructura más dura correspondiente a esta composición química? Resulta un diamante. Ahora hagámonos otra pregunta: ¿cuál será el más denso? Parece que también es un diamante, pero no. Resulta que se puede inventar una forma de carbono más densa que el diamante, al menos en una computadora, y en principio se puede sintetizar. Además, hay muchas de estas formas hipotéticas.

- ¿Aún así?

- Aún así. Pero nada es más duro que un diamante. La gente ha aprendido a obtener respuestas a tales preguntas recientemente. Más recientemente, han aparecido algoritmos, han aparecido programas que pueden hacer esto. En este caso, de hecho, toda esta área de investigación resultó estar conectada con nuestro trabajo en 2006. Después de eso, muchos otros investigadores también comenzaron a lidiar con este problema. En general, todavía no perdemos la palma y creamos más y más métodos, nuevos y nuevos materiales.

- "¿Quienes somos?

— Esta soy yo y mis alumnos, estudiantes de posgrado e investigadores.

— Para que quede claro, como el “nosotros” es tan polisemántico, en este caso polisemántico, se puede percibir de diferentes maneras. ¿Qué es tan revolucionario?

— El caso es que la gente se ha dado cuenta de que esta tarea está asociada a un problema combinatorio infinitamente complejo, es decir, el número de opciones entre las que hay que elegir la mejor es infinita. ¿Cómo se puede resolver este problema? De ningún modo. Simplemente no puedes acercarte a ella y sentirte cómodo. Pero hemos encontrado una forma de resolver este problema con bastante eficacia, una forma basada en la evolución. Esto, podría decirse, es un método de aproximaciones sucesivas, cuando de soluciones inicialmente débiles por el método de mejora sucesiva llegamos a soluciones cada vez más perfectas. Podemos decir que este es un método de inteligencia artificial. La inteligencia artificial, que hace una serie de suposiciones, rechaza algunas y construye otras aún más interesantes a partir de las estructuras y composiciones más plausibles e interesantes. Es decir, aprende de su propia historia, por lo que se le puede llamar inteligencia artificial.

- Me gustaría entender cómo inventas, inventas nuevos materiales en un ejemplo específico.

— Intentemos describirlo en el ejemplo del mismo carbono. Quiere predecir qué forma de carbono es la más dura. Se especifica un pequeño número de estructuras de carbono aleatorias. Algunas estructuras consistirán en moléculas discretas, como los fullerenos; algunas estructuras consistirán en capas, como el grafito; algunos estarán compuestos por cadenas de carbono, las llamadas carabinas; algunos estarán conectados tridimensionalmente, como un diamante (pero no solo un diamante, hay un número infinito de tales estructuras). Primero genera aleatoriamente este tipo de estructuras, luego realiza la optimización local, o lo que llamamos "relajación". Es decir, mueves los átomos hasta que la fuerza resultante sobre el átomo sea cero, hasta que desaparezcan todas las tensiones en la estructura, hasta que entre en su forma ideal o tome su mejor forma local. Y para esta estructura, calculas propiedades, como la dureza. Veamos la dureza de los fullerenos. Hay enlaces fuertes, pero solo dentro de la molécula. Las moléculas en sí están interconectadas muy débilmente, debido a esto, la dureza es casi cero. Mire el grafito: la misma historia: enlaces fuertes dentro de la capa, débiles entre las capas y, como resultado, la sustancia se desintegra muy fácilmente, su dureza será muy pequeña. Sustancias como fullerenos o carabinas o grafito serán muy blandas, y las rechazamos inmediatamente. Las estructuras restantes de carbono están conectadas tridimensionalmente, tienen enlaces fuertes en las tres dimensiones, de estas estructuras elegimos las más sólidas y les damos la oportunidad de producir estructuras hijas. Cómo se ve? Tomamos una estructura, tomamos otra estructura, cortamos sus piezas, las ensamblamos, como en un constructor, y nuevamente nos relajamos, es decir, damos la oportunidad de que desaparezcan todas las tensiones. Hay mutaciones: esta es otra forma de producir descendencia de los padres. Tomamos una de las estructuras más sólidas y la mutamos, por ejemplo, aplicamos un gran esfuerzo cortante para que algunos enlaces simplemente se rompan allí, mientras que otros, nuevos, se forman. O desplazamos los átomos en las direcciones más débiles de la estructura para eliminar esta debilidad del sistema. Relajamos todas las estructuras producidas de esta manera, es decir, eliminamos las tensiones internas y luego evaluamos nuevamente las propiedades. Sucede que tomamos una estructura sólida, la mutamos y se volvió suave, se convirtió en, digamos, grafito. Eliminamos esta estructura inmediatamente. Y de los que son sólidos, volvemos a producir "niños". Y así repetimos paso a paso, generación tras generación. Y lo suficientemente rápido llegamos al diamante.

- Al mismo tiempo, los momentos en que rechazamos, comparamos, conectamos y cambiamos la estructura, ¿hacemos inteligencia artificial, hacemos el programa? ¿No es un humano?

- El programa lo hace. Si hiciéramos esto, terminaríamos en Kashchenko, porque esta es una gran cantidad de operaciones que una persona no necesita hacer y por razones completamente científicas. Entiendes, una persona nace, absorbe la experiencia del mundo que lo rodea, y con esta experiencia viene una especie de prejuicio. Vemos una estructura simétrica: decimos: "Esto es bueno"; vemos asimétrico, decimos: "Esto es malo". Pero para la naturaleza, a veces ocurre lo contrario. Nuestro método debe estar libre de la subjetividad y los prejuicios humanos.

— ¿Entiendo bien por lo que describiste que, en principio, esta tarea está formulada no tanto por la ciencia fundamental como por la solución de tareas bastante específicas establecidas por alguna empresa transnacional regular? Aquí necesitamos que el cemento nuevo sea más viscoso, más denso o, por el contrario, más líquido, y así sucesivamente.

- Para nada. De hecho, yo vengo de ciencias fundamentales en mi educación, estudié ciencias fundamentales, no ciencias aplicadas. Ahora estoy interesado en resolver problemas aplicados, especialmente porque la metodología que inventé es aplicable a los problemas aplicados más importantes de una gama muy amplia. Pero inicialmente este método fue inventado para resolver problemas fundamentales.

- ¿Que tipo de?

— He estado estudiando física y química de alta presión durante mucho tiempo. Esta es un área en la que se han hecho muchos descubrimientos interesantes experimentalmente. Pero los experimentos son complejos y, muy a menudo, los resultados experimentales resultan erróneos con el tiempo. Los experimentos son costosos y consumen mucho tiempo.

- Dar un ejemplo.

- Por ejemplo, durante mucho tiempo hubo una carrera entre científicos soviéticos y estadounidenses: quién obtendrá el primer hidrógeno metálico bajo presión. Luego resultó, por ejemplo, que muchos elementos simples bajo presión se convierten (esta es una transformación tan alquímica) en un metal de transición. Por ejemplo, tome potasio: el potasio tiene solo un electrón s en la capa de valencia, por lo que bajo presión se convierte en un elemento d; El orbital s se vacía y el orbital d desocupado se llena con este único electrón. Y esto es muy importante, porque el potasio, al convertirse en un metal de transición, tiene la oportunidad de ingresar, por ejemplo, en el hierro líquido. ¿Por qué es importante? Porque ahora creemos que el potasio en pequeñas cantidades es parte del núcleo de la Tierra y es una fuente de calor allí. El caso es que uno de los isótopos del potasio (potasio-40 radiactivo) es uno de los principales productores de calor en la Tierra en la actualidad. Si el potasio no está incluido en el núcleo de la Tierra, entonces debemos cambiar por completo nuestra comprensión de la edad de la vida en la Tierra, la edad del campo magnético, la historia del núcleo de la Tierra y muchas otras cosas interesantes. Aquí hay una transformación alquímica: los elementos s se convierten en elementos d. A altas presiones, cuando comprimes la materia, la energía que gastas en la compresión tarde o temprano excederá la energía de los enlaces químicos y la energía de las transiciones interorbitales en los átomos. Y gracias a esto, puedes cambiar radicalmente la estructura electrónica del átomo y el tipo de enlace químico en tu sustancia. Pueden surgir tipos de sustancias completamente nuevos. Y la intuición química estándar no funciona en tales casos, es decir, las reglas que aprendemos del banco de la escuela en las lecciones de química, vuelan al infierno cuando la presión alcanza valores suficientemente grandes. Puedo decirle qué tipo de cosas han sido predichas por nuestro método y luego probadas experimentalmente. Cuando apareció este método, se convirtió en un shock para todos. Uno de los trabajos más interesantes estuvo relacionado con el elemento sodio. Predijimos que si comprimimos el sodio a una presión de unos 2 millones de atmósferas (por cierto, la presión en el centro de la Tierra es de casi 4 millones de atmósferas, y tales presiones se pueden obtener experimentalmente), dejará de ser un metal. , sino un dieléctrico, además, transparente y de colores rojos. Cuando hicimos esta predicción, nadie nos creyó. La revista Nature, a la que enviamos estos resultados, incluso se negó a considerar este artículo, dijeron que era imposible creer en él. Me puse en contacto con los experimentadores del grupo de Mikhail Yeremets, quienes también me dijeron que era imposible creer en esto, pero que por respeto intentarían realizar un experimento de este tipo. Y este experimento confirmó completamente nuestras predicciones. Se predijo la estructura de la nueva fase del elemento boro: la estructura más dura de este elemento, una de las sustancias más duras conocidas por la humanidad. Y allí resultó que diferentes átomos de boro tienen una carga eléctrica diferente, es decir, de repente se vuelven diferentes: algunos tienen carga positiva, otros tienen carga negativa. Este artículo ha sido citado casi 200 veces en solo tres años.

Usted dijo que esta es una tarea fundamental. ¿O resuelve principalmente problemas fundamentales y solo recientemente algunos problemas prácticos? Historia del sodio. ¿Para qué? Es decir, te sentaste y te sentaste y pensaste qué tomar. ¿Quizás tomaré sodio y lo comprimiré en 2 millones de atmósferas?

- No ciertamente de esa manera. Recibí una subvención para estudiar el comportamiento de los elementos bajo alta presión para comprender mejor la química de los elementos. Los datos experimentales bajo alta presión aún son muy fragmentarios, y decidimos revisar más o menos toda la tabla periódica para comprender cómo cambian los elementos y su química bajo presión. Hemos publicado una serie de artículos, en particular, sobre la naturaleza de la superconductividad en el oxígeno bajo presión, ya que el oxígeno bajo presión se convierte en un superconductor. Para una serie de otros elementos: elementos alcalinos o elementos alcalinotérreos, etc. Pero lo más interesante, probablemente, fue el descubrimiento de nuevos fenómenos en el sodio y el boro. Estos fueron quizás los dos elementos que más nos sorprendieron. Así empezamos. Y ahora hemos pasado a resolver problemas prácticos, estamos cooperando con empresas como Intel, Samsung, Fujitsu, Toyota, Sony. Toyota, que yo sepa, ha inventado recientemente un nuevo material para baterías de litio utilizando nuestro método y va a comercializar este material.

- Tomaron tu método, tomaron la tecnología de búsqueda de materiales, ¿pero tú no?

- Si seguro. No nos imponemos en la carga, pero tratamos de ayudar a todos los investigadores. Nuestro programa está disponible para cualquiera que quiera usarlo. Las empresas deben pagar algo por el derecho a utilizar el programa. Y los científicos que trabajan en el mundo académico lo obtienen de forma gratuita simplemente descargándolo de nuestro sitio web. Nuestro programa ya cuenta con casi 2 mil usuarios en todo el mundo. Y me alegro mucho cuando veo que nuestros usuarios logran algo bueno. Yo, mi grupo, tengo más que suficiente de mis propios descubrimientos, mis propios trabajos, mis propias intuiciones. Cuando vemos lo mismo en otros grupos, solo nos agrada.

El material se preparó sobre la base del programa de radio "PostNauka" en la radio Russian News Service.

Artem Oganov, uno de los mineralogistas teóricos más citados del mundo, nos contó sobre una predicción por computadora que recientemente se ha vuelto factible. Anteriormente, este problema no podía resolverse porque el problema del diseño por ordenador de nuevos materiales incluye el problema de las estructuras cristalinas, que se consideraba irresoluble. Pero gracias al esfuerzo de Oganov y sus compañeros, lograron acercarse a este sueño y hacerlo realidad.

Por qué es importante esta tarea: En el pasado, se producían nuevas sustancias durante mucho tiempo y con mucho esfuerzo.

Artem Oganov: “Los experimentadores van al laboratorio. Mezcle diferentes sustancias a diferentes temperaturas y presiones. Obtener nuevas sustancias. Medir sus propiedades. Por regla general, estas sustancias no tienen ningún interés y se desechan. Y los experimentadores intentan nuevamente obtener una sustancia ligeramente diferente bajo diferentes condiciones, con una composición ligeramente diferente. Y así, paso a paso, superamos muchos fracasos, dedicando años de nuestra vida a esto. Resulta que los investigadores, con la esperanza de obtener un material, gastan una gran cantidad de esfuerzo, tiempo y dinero. Este proceso puede llevar años. Puede resultar ser un callejón sin salida y nunca conducir al descubrimiento del material deseado. Pero incluso cuando conduce al éxito, ese éxito tiene un precio muy alto".

Por lo tanto, es necesario crear una tecnología que pueda hacer predicciones sin errores. Es decir, no experimentar en laboratorios, sino darle la tarea a la computadora de predecir qué material, con qué composición y temperatura, tendrá las propiedades deseadas bajo ciertas condiciones. Y la computadora, clasificando a través de numerosas opciones, podrá responder qué composición química y qué estructura cristalina cumplirá con los requisitos dados. El resultado puede ser tal que el material deseado no exista. O lo está y no está solo.
Y aquí surge un segundo problema, cuya solución aún no ha sido resuelta: ¿cómo conseguir este material? Es decir, la composición química, la estructura cristalina es clara, pero aún no hay forma de implementarla, por ejemplo, a escala industrial.

Tecnología de predicción

Lo principal a predecir es la estructura cristalina. Anteriormente, no era posible resolver este problema, porque hay muchas opciones para la disposición de los átomos en el espacio. Pero la gran mayoría de ellos no son de interés. Lo importante son aquellas opciones para la disposición de los átomos en el espacio que sean suficientemente estables y tengan las propiedades necesarias para el investigador.
Cuáles son estas propiedades: dureza alta o baja, conductividad eléctrica y conductividad térmica, etc. La estructura cristalina es importante.

“Si piensas en, digamos, carbono, mira el diamante y el grafito. Químicamente, son la misma sustancia. Pero las propiedades son completamente diferentes. Carbono supersuave negro y diamante superduro transparente: ¿cuál es la diferencia entre ellos? Es la estructura cristalina. Es gracias a ella que una sustancia es superdura y la otra es superblanda. Uno es un conductor casi metálico. El otro es un dieléctrico".

Para aprender a predecir un nuevo material, primero se debe aprender a predecir la estructura cristalina. Para ello, Oganov y sus colegas propusieron un enfoque evolutivo en 2006.

“En este enfoque, no estamos tratando de probar todo el número infinito de estructuras cristalinas. Lo intentaremos paso a paso, comenzando con una pequeña muestra aleatoria, dentro de la cual clasificamos las posibles soluciones, descartando la peor. Y de lo mejor producimos variantes infantiles. Las variantes hijas se producen por varias mutaciones o por recombinación, por herencia, donde de dos padres combinamos diferentes características estructurales de la composición. A partir de esto, se obtiene una estructura secundaria: un material secundario, una composición química secundaria, una estructura secundaria. A continuación, también se evalúan estos compuestos secundarios. Por ejemplo, por estabilidad o por la propiedad química o física que te interese. Y los que fueron clasificados como desfavorables, los descartamos. Los que son prometedores obtienen el derecho a procrear. Por mutación o herencia producimos la próxima generación”.

Entonces, paso a paso, los científicos se acercan al material óptimo para ellos en términos de una propiedad física determinada. El enfoque evolutivo en este caso funciona de la misma manera que la teoría darwiniana de la evolución, este principio lo llevan a cabo Oganov y sus colegas en una computadora cuando buscan estructuras cristalinas que sean óptimas en términos de una determinada propiedad o estabilidad.

“También puedo decir (pero esto ya está un poco al borde del vandalismo) que cuando llevamos a cabo el desarrollo de este método (por cierto, el desarrollo está en curso. Se ha mejorado cada vez más), experimentamos con diferentes formas de evolución. Por ejemplo, tratamos de producir un hijo no de dos padres, sino de tres o cuatro. Resultó que, al igual que en la vida, es óptimo producir un hijo de dos padres. Un niño tiene dos padres: padre y madre. Ni tres, ni cuatro, ni veinticuatro. Este es el óptimo tanto en la naturaleza como en la computadora”.

Oganov patentó su método y ahora lo utilizan casi miles de investigadores en todo el mundo y varias empresas importantes como Intel, Toyota y Fujitsu. Toyota, por ejemplo, dijo Oganov, ha estado utilizando este método durante algún tiempo para inventar un nuevo material para las baterías de litio que se utilizarán en los automóviles híbridos.

problema de diamantes

Se cree que el diamante, siendo el poseedor del récord más duro, es el material superduro óptimo para todas las aplicaciones. Sin embargo, esto no es así, porque en el hierro, por ejemplo, se disuelve, pero en un ambiente de oxígeno se quema a alta temperatura. En general, la búsqueda de un material más duro que el diamante preocupó a la humanidad durante muchas décadas.

“Un simple cálculo informático realizado por mi grupo muestra que ese material no puede existir. De hecho, solo el diamante puede ser más duro que el diamante, pero en forma nanocristalina. Otros materiales no pueden vencer al diamante en términos de dureza”.

Otra dirección del grupo de Oganov es la predicción de nuevos materiales dieléctricos que podrían servir como base para supercondensadores para almacenar energía eléctrica, así como para una mayor miniaturización de microprocesadores de computadora.
“Esta miniaturización en realidad enfrenta obstáculos. Porque los materiales dieléctricos disponibles pueden soportar bastante mal las cargas eléctricas. Están goteando. Y una mayor miniaturización es imposible. Si podemos conseguir un material que se adhiera al silicio, pero que al mismo tiempo tenga una constante dieléctrica mucho más alta que los materiales que tenemos, entonces podremos resolver este problema. Y también tenemos un progreso bastante serio en esta dirección”.

Y lo último que hace Oganov es el desarrollo de nuevos medicamentos, es decir, su predicción también. Esto es posible debido al hecho de que los científicos han aprendido a predecir la estructura y composición química de la superficie de los cristales.

“El hecho es que la superficie de un cristal a menudo tiene una composición química que difiere de la sustancia misma del cristal. La estructura también es muy a menudo radicalmente diferente. Y descubrimos que las superficies de cristales de óxido simples y aparentemente inertes (como el óxido de magnesio) contienen iones muy interesantes (como el ion peróxido). También contienen grupos similares al ozono, que consisten en tres átomos de oxígeno. Esto explica una observación extremadamente interesante e importante. Cuando una persona inhala finas partículas de óxidos minerales, aparentemente inertes, seguros e inofensivos, estas partículas juegan una broma cruel y contribuyen al desarrollo del cáncer de pulmón. En particular, se sabe que el asbesto, que es extremadamente inerte, es carcinógeno. Entonces, en la superficie de minerales como el asbesto y el cuarzo (especialmente el cuarzo), se pueden formar iones de peróxido, que juegan un papel clave en la formación y el desarrollo del cáncer. Usando nuestra técnica, también es posible predecir las condiciones bajo las cuales se podría evitar la formación de tales partículas. Es decir, hay esperanza incluso de encontrar una terapia y prevención del cáncer de pulmón. En este caso, solo estamos hablando de cáncer de pulmón. Y de una manera completamente inesperada, los resultados de nuestra investigación han hecho posible comprender y tal vez incluso prevenir o curar el cáncer de pulmón”.

En resumen, la predicción de estructuras cristalinas puede desempeñar un papel clave en el diseño de materiales tanto para microelectrónica como para productos farmacéuticos. En general, dicha tecnología abre un nuevo camino en la tecnología del futuro, Oganov está seguro.

Puede leer sobre otras áreas del laboratorio de Artem en el enlace y leer su libro. Métodos modernos de predicción de estructuras cristalinas

La esencia de la búsqueda de la estructura más estable se reduce al cálculo de tal estado de la materia, que tiene la energía más baja. La energía en este caso depende de la interacción electromagnética de los núcleos y electrones de los átomos que componen el cristal en estudio. Se puede estimar mediante cálculos mecánicos cuánticos basados ​​en una ecuación de Schrödinger simplificada. Así que el algoritmo USPEX usa teoría funcional de la densidad que se desarrolló en la segunda mitad del siglo pasado. Su objetivo principal es simplificar los cálculos de la estructura electrónica de moléculas y cristales. La teoría permite reemplazar la función de onda de muchos electrones por la densidad electrónica, mientras permanece formalmente exacta (pero, de hecho, las aproximaciones resultan inevitables). En la práctica, esto conduce a una disminución de la complejidad de los cálculos y, en consecuencia, del tiempo que se dedicará a ellos. Así, los cálculos mecánicos cuánticos se combinan con el algoritmo evolutivo en USPEX (Fig. 2). ¿Cómo funciona el algoritmo evolutivo?

Puede buscar estructuras con la energía más baja por enumeración: organice aleatoriamente los átomos entre sí y analice cada uno de esos estados. Pero dado que la cantidad de opciones es enorme (incluso si solo hay 10 átomos, habrá alrededor de 100 mil millones de posibilidades para su disposición entre sí), el cálculo tomaría demasiado tiempo. Por lo tanto, los científicos lograron lograr el éxito solo después de desarrollar un método más ingenioso. El algoritmo USPEX se basa en un enfoque evolutivo (Fig. 2). En primer lugar, se genera aleatoriamente un pequeño número de estructuras y se calcula su energía. Las opciones con mayor energía, es decir, las menos estables, el sistema las quita, ya partir de las más estables genera otras similares y ya las calcula. Al mismo tiempo, la computadora continúa generando aleatoriamente nuevas estructuras para mantener la diversidad de la población, lo cual es una condición esencial para una evolución exitosa.

Así, la lógica tomada de la biología ayudó a resolver el problema de predecir estructuras cristalinas. Es difícil decir que hay un gen en este sistema, porque las nuevas estructuras pueden diferir de sus predecesoras de formas muy diferentes. Los “individuos” más adaptados a las condiciones de selección dejan descendencia, es decir, el algoritmo, aprendiendo de sus errores, maximiza las posibilidades de éxito en el siguiente intento. El sistema encuentra rápidamente la opción con la energía más baja y calcula eficientemente la situación cuando una unidad estructural (célula) contiene decenas e incluso las primeras centenas de átomos, mientras que los algoritmos anteriores no podían hacer frente ni siquiera a diez.

Uno de los nuevos desafíos que enfrenta la USPEX en el MIPT es la predicción de la estructura terciaria de las proteínas a partir de su secuencia de aminoácidos. Este problema de la biología molecular moderna es uno de los más importantes. En general, la tarea de los científicos es muy difícil, también porque es difícil calcular la energía de una molécula tan compleja como una proteína. Según Artem Oganov, su algoritmo ya es capaz de predecir la estructura de péptidos de unos 40 aminoácidos de longitud.

Vídeo 2. Polímeros y biopolímeros.¿Qué sustancias son los polímeros? ¿Cuál es la estructura de un polímero? ¿Qué tan extendido está el uso de materiales poliméricos? El profesor, PhD en Cristalografía Artem Oganov habla sobre esto.

USPEX Explicación

En uno de sus artículos de divulgación científica, Artem Oganov (Fig. 3) describe la USPEX de la siguiente manera:

“Aquí hay un ejemplo figurativo para demostrar la idea general. Imagina que necesitas encontrar la montaña más alta en la superficie de un planeta desconocido, donde reina la oscuridad total. Para ahorrar recursos, es importante comprender que no necesitamos un mapa de relieve completo, sino solo su punto más alto.

Figura 3. Artem Romaevich Oganov

Aterrizas una pequeña fuerza de biorobots en el planeta, enviándolos uno por uno a lugares aleatorios. La instrucción que debe seguir cada robot es caminar por la superficie en contra de las fuerzas de atracción gravitacional y eventualmente llegar a la cima de la colina más cercana, cuyas coordenadas debe informar a la base orbital. No tenemos fondos para un gran contingente de investigación, y la probabilidad de que uno de los robots suba inmediatamente la montaña más alta es extremadamente pequeña. Esto significa que es necesario aplicar el conocido principio de la ciencia militar rusa: "luchar no por números, sino por habilidad", que se implementa aquí en forma de un enfoque evolutivo. Al encontrar al vecino más cercano, los robots se encuentran y reproducen a los de su propia especie, colocándolos a lo largo de la línea entre "sus" picos. Los descendientes de biorobots comienzan a seguir las mismas instrucciones: se mueven en la dirección de la elevación del relieve, explorando el área entre los dos picos de sus "padres". Aquellos “individuos” que han encontrado picos por debajo del nivel medio son retirados (así se realiza la selección) y desembarcados nuevamente aleatoriamente (así se modela el mantenimiento de la “diversidad genética” de la población)”.

¿Cómo estimar el error con el que trabaja USPEX? Puede tomar un problema con la respuesta correcta conocida de antemano y resolverlo de forma independiente 100 veces utilizando un algoritmo. Si se obtiene la respuesta correcta en 99 casos, la probabilidad de un error de cálculo será del 1%. Por lo general, las predicciones correctas se obtienen con una probabilidad del 98% al 99% cuando el número de átomos en una celda unitaria es de 40 piezas.

El algoritmo evolutivo de USPEX ha llevado a muchos descubrimientos interesantes e incluso al desarrollo de una nueva forma de dosificación de un producto médico, que se analizará a continuación. Me pregunto qué pasará cuando aparezcan las supercomputadoras de nueva generación. ¿Cambiará radicalmente el algoritmo para predecir estructuras cristalinas? Por ejemplo, algunos científicos se dedican al desarrollo de computadoras cuánticas. En el futuro, serán mucho más eficientes que los modernos más avanzados. Según Artem Oganov, los algoritmos evolutivos mantendrán su posición de liderazgo, pero comenzarán a funcionar más rápido.

Áreas de trabajo del laboratorio: de la termoeléctrica a las drogas

USPEX resultó ser un algoritmo no solo efectivo, sino también multifuncional. En este momento, bajo el liderazgo de Artem Oganov, se está llevando a cabo una gran cantidad de trabajo científico en varias áreas. Algunos de los últimos proyectos son intentos de modelar nuevos materiales termoeléctricos y predecir la estructura de las proteínas.

“Tenemos varios proyectos, uno de ellos es el estudio de materiales de baja dimensionalidad como nanopartículas, superficies de materiales, El otro es el estudio de productos químicos bajo alta presión. Hay otro proyecto interesante relacionado con la predicción de nuevos materiales termoeléctricos. Ahora ya sabemos que la adaptación del método de predicción de la estructura cristalina que se nos ocurrió a los problemas de la termoeléctrica funciona de manera efectiva. Por el momento, ya estamos listos para un gran avance, cuyo resultado debería ser el descubrimiento de nuevos materiales termoeléctricos. Ya está claro que el método que hemos creado para la termoeléctrica es muy potente, las pruebas realizadas son exitosas. Y estamos completamente preparados para buscar materiales realmente nuevos. También nos dedicamos a la predicción y estudio de nuevos superconductores de alta temperatura. Nos planteamos la cuestión de predecir la estructura de las proteínas. Este es un nuevo desafío para nosotros y muy interesante”.

Curiosamente, la USPEX ya ha beneficiado incluso a la medicina: “Además, estamos desarrollando nuevos medicamentos. En particular, predijimos, recibimos y patentamos un nuevo fármaco,- dice A. R. Oganov. - Es el hidrato de 4-aminopiridina, un fármaco para la esclerosis múltiple".

Hablamos de un fármaco recientemente patentado por Valery Roizen (Fig. 4), Anastasia Naumova y Artem Oganov, miembro del Laboratorio de Diseño de Materiales Informáticos, que permite el tratamiento sintomático de la esclerosis múltiple. La patente está abierta, lo que ayudará a reducir el precio del medicamento. La esclerosis múltiple es una enfermedad autoinmune crónica, es decir, una de esas patologías en las que el propio sistema inmunitario del huésped daña al huésped. Esto daña la vaina de mielina de las fibras nerviosas, que normalmente realiza una función de aislamiento eléctrico. Es muy importante para el funcionamiento normal de las neuronas: la corriente a través de los crecimientos de las células nerviosas cubiertas con mielina se lleva a cabo de 5 a 10 veces más rápido que a través de las descubiertas. Porque la esclerosis múltiple conduce a la interrupción del sistema nervioso.

Las causas subyacentes de la esclerosis múltiple siguen sin estar claras. Muchos laboratorios de todo el mundo están tratando de entenderlos. En Rusia, esto lo hace el laboratorio de biocatálisis del Instituto de Química Bioorgánica.

Figura 4. Valery Roizen - uno de los autores de una patente de un medicamento para la esclerosis múltiple, un empleado del Laboratorio de Diseño Informático de Materiales, que desarrolla nuevas formas de dosificación de medicamentos y participa activamente en la divulgación de la ciencia.

Video 3. Conferencia de divulgación científica de Valery Roizen "Cristales deliciosos". Aprenderá sobre los principios de cómo funcionan los medicamentos, la importancia de la forma de administración del medicamento en el cuerpo humano y el malvado hermano gemelo de la aspirina.

Anteriormente, la 4-aminopiridina ya se usaba en la clínica, pero los científicos lograron mejorar la absorción de este medicamento en la sangre al cambiar la composición química. Obtuvieron un hidrato de 4-aminopiridina cristalino (Fig. 5) con una estequiometría de 1:5. De esta forma, se patentó el fármaco en sí y el método para obtenerlo. La sustancia mejora la liberación de neurotransmisores en las sinapsis neuromusculares, lo que facilita que los pacientes con esclerosis múltiple se sientan mejor. Vale la pena señalar que este mecanismo implica el tratamiento de los síntomas, pero no de la enfermedad en sí. Además de la biodisponibilidad, el punto fundamental en el nuevo desarrollo es el siguiente: dado que fue posible “concluir” la 4-aminopiridina en un cristal, se ha vuelto más conveniente para su uso en medicina. Las sustancias cristalinas son relativamente fáciles de obtener en forma purificada y homogénea, y la ausencia de impurezas potencialmente dañinas en el fármaco es uno de los criterios clave para un buen fármaco.

Descubrimiento de nuevas estructuras químicas.

Como se mencionó anteriormente, USPEX le permite encontrar nuevas estructuras químicas. Resulta que incluso el carbono "habitual" tiene sus propios misterios. El carbono es un elemento químico muy interesante porque forma una amplia gama de estructuras que van desde dieléctricos superduros hasta semiconductores blandos e incluso superconductores. Los primeros incluyen diamante y lonsdaleita, los últimos, grafito, y los terceros, algunos fullerenos a bajas temperaturas. A pesar de la gran variedad de formas conocidas de carbono, los científicos dirigidos por Artem Oganov lograron descubrir una estructura fundamentalmente nueva: no se sabía previamente que el carbono puede formar complejos huésped-huésped (Fig. 6). Al trabajo también asistieron empleados del laboratorio de diseño de materiales asistido por computadora (Fig. 7).

Figura 7. Oleg Feya, estudiante de doctorado del MIPT, empleado del Laboratorio de Diseño Informático de Materiales y uno de los autores del descubrimiento de una nueva estructura de carbono. En su tiempo libre, Oleg se dedica a la divulgación de la ciencia: sus artículos se pueden leer en las publicaciones Schrödinger's Cat, For Science, STRF.ru, Rosatom Country. Además, Oleg es el ganador del Moscú. golpe de ciencia y participante del programa de televisión "The Smartest".

La interacción "huésped-huésped" se manifiesta, por ejemplo, en complejos que consisten en moléculas que están conectadas entre sí por enlaces no covalentes. Es decir, un determinado átomo/molécula ocupa un determinado lugar en la red cristalina, pero no forma un enlace covalente con los compuestos circundantes. Este comportamiento está muy extendido entre las moléculas biológicas que se unen entre sí para formar complejos fuertes y grandes que realizan diversas funciones en nuestro organismo. En general, nos referimos a compuestos que consisten en dos tipos de elementos estructurales. Para las sustancias formadas solo por carbono, tales formas no se conocían. Los científicos publicaron su descubrimiento en 2014, ampliando nuestro conocimiento sobre las propiedades y el comportamiento del grupo 14 de elementos químicos en su conjunto (Fig. 8) Vale la pena señalar que en la forma abierta de carbono, se forman enlaces covalentes entre los átomos. Hablamos del tipo huésped-huésped debido a la presencia de dos tipos de átomos de carbono claramente definidos, que tienen entornos estructurales completamente diferentes.

Nueva química de alta presión

En el laboratorio de diseño de materiales asistido por ordenador estudian qué sustancias serán estables a altas presiones. Así es como el jefe del laboratorio argumenta a favor del interés en tal investigación: “Estamos estudiando materiales bajo alta presión, en particular la nueva química que aparece bajo tales condiciones. Esta es una química muy inusual que no encaja en las reglas de lo tradicional. El conocimiento adquirido sobre nuevos compuestos conducirá a una comprensión de lo que sucede dentro de los planetas. Porque estos químicos inusuales pueden resultar materiales muy importantes en el interior del planeta”. Es difícil predecir cómo se comportan las sustancias bajo alta presión: la mayoría de las reglas químicas dejan de funcionar, porque estas condiciones son muy diferentes a las que estamos acostumbrados. Sin embargo, esto debe entenderse si queremos saber cómo funciona el Universo. La mayor parte de la materia bariónica del Universo está bajo alta presión dentro de los planetas, estrellas, satélites. Sorprendentemente, se sabe muy poco sobre su química.

La nueva química, que se implementa a alta presión en el laboratorio de diseño de materiales asistido por computadora en MIPT, está siendo estudiada por Gabriele Saleh, PhD (título similar a un Ph.D.):

“Soy químico y me interesa la química a altas presiones. ¿Por qué? Porque tenemos reglas de química que se formularon hace 100 años, pero recientemente resultó que dejan de funcionar a altas presiones. ¡Y es muy interesante! Es como un parque de diversiones: hay un fenómeno que nadie puede explicar; explorar un nuevo fenómeno y tratar de entender por qué sucede es muy interesante. Empezamos la conversación con cosas fundamentales. Pero las altas presiones también existen en el mundo real. Por supuesto, no en esta habitación, sino dentro de la Tierra y en otros planetas. .

Como soy químico, me interesa la química de alta presión. ¿Por qué? Porque tenemos reglas químicas que se establecieron hace cien años, pero recientemente se descubrió que estas reglas se rompen a alta presión. ¡Y es muy interesante! Esto es como un loonopark porque tienes un fenómeno que nadie puede racionalizar. Es interesante estudiar nuevos fenómenos y tratar de entender por qué sucede. Partimos del punto de vista fundamental. Pero estas altas presiones existen. No en esta habitación, por supuesto, sino en el interior de la Tierra y en otros planetas.

Figura 9. El ácido carbónico (H 2 CO 3 ) es una estructura estable a la presión. insertado en la parte superior demostrado que a lo largo eje C se forman estructuras poliméricas. El estudio del sistema carbono-oxígeno-hidrógeno bajo altas presiones es muy importante para comprender cómo se organizan los planetas. H 2 O (agua) y CH 4 (metano) son los componentes principales de algunos planetas gigantes, por ejemplo, Neptuno y Urano, donde la presión puede alcanzar cientos de GPa. Los grandes satélites helados (Ganímedes, Calisto, Titán) y los cometas también contienen agua, metano y dióxido de carbono, que están sujetos a presiones de hasta varios GPa.

Gabriele nos habló de su nuevo trabajo, que recientemente fue aceptado para su publicación:

“A veces haces ciencia básica, pero luego encuentras una aplicación directa del conocimiento adquirido. Por ejemplo, recientemente presentamos un artículo para publicación que describe los resultados de una búsqueda de todos los compuestos estables producidos a partir de carbono, hidrógeno y oxígeno a alta presión. Hemos encontrado uno que es estable a presiones muy bajas como 1 GPa. , y resultó ser ácido carbónico H 2 CO 3(Figura 9). Estudié la literatura sobre astrofísica y descubrí que las lunas de Ganímedes y Calisto [lunas de Júpiter] están compuestas de agua y dióxido de carbono: moléculas que forman ácido carbónico. Así nos dimos cuenta de que nuestro descubrimiento sugiere la formación de ácido carbónico allí. Esto es de lo que estaba hablando: todo comenzó con la ciencia básica y terminó con algo importante para el estudio de los satélites y los planetas”. .

Nótese que tales presiones resultan ser bajas en relación a las que en principio se pueden encontrar en el Universo, pero altas en comparación con las que actúan sobre nosotros cerca de la superficie de la Tierra.

Entonces, a veces estudias algo para la ciencia fundamental, pero luego descubres que tiene una aplicación correcta. Por ejemplo, acabamos de presentar un documento en el que tomamos carbono, hidrógeno, oxígeno a alta presión e intentamos buscar todos los compuestos estables. Encontramos uno que era ácido carbónico y era estable a una presión muy baja como un gigapascal. Investigué la literatura de astrofísica y descubrí: hay satélites como Ganímedes o Calisto. Sobre ellos hay dióxido de carbono y agua. Las moléculas que forman este ácido carbónico. Entonces nos dimos cuenta de que este descubrimiento significa que probablemente habría ácido carbónico. A esto me refiero con empezar por algo fundamental y descubrir algo que sea aplicable a la ciencia planetaria.

Otro ejemplo de química inusual que se puede dar se refiere a la conocida sal de mesa, NaCl. Resulta que si puede presurizar su salero a 350 GPa, obtendrá nuevos compuestos. En 2013, bajo el liderazgo de A.R. Oganov, se demostró que si se aplica alta presión al NaCl, los compuestos inusuales se vuelven estables, por ejemplo, NaCl 7 (Fig. 10) y Na 3 Cl. Curiosamente, muchas de las sustancias descubiertas son metales. Gabriele Saleh y Artem Oganov continuaron su trabajo pionero en el que mostraron el exótico comportamiento de los cloruros de sodio bajo alta presión y desarrollaron un modelo teórico que puede usarse para predecir las propiedades de los compuestos de metales alcalinos con halógenos.

Describieron las reglas que estas sustancias obedecen en condiciones tan inusuales. Usando el algoritmo USPEX, varios compuestos con la fórmula A 3 Y (A = Li, Na, K; Y = F, Cl, Br) teóricamente fueron sometidos a presiones de hasta 350 GPa. Esto condujo al descubrimiento de iones de cloruro en estado oxidado −2. La química "estándar" prohíbe esto. En tales condiciones, se pueden formar nuevas sustancias, por ejemplo, con la fórmula química Na 4 Cl 3.

Figura 10. Estructura cristalina de la sal común de NaCl ( izquierda) y el compuesto inusual NaCl 7 ( a la derecha), estable bajo presión.

La química necesita nuevas reglas

Gabriele Saleh (Fig. 11) habló sobre su investigación destinada a describir nuevas reglas de la química que tendrían poder predictivo no solo en condiciones estándar, sino que también describirían el comportamiento y las propiedades de las sustancias bajo alta presión (Fig. 12).

Figura 11. Gabriele Saleh

“Hace dos o tres años, el profesor Oganov descubrió que una sal tan simple como el NaCl no es tan simple a alta presión: el sodio y el cloro también pueden formar otros compuestos. Pero nadie sabía por qué. Los científicos realizaron cálculos, recibieron resultados, pero se desconocía por qué todo sucede de esta manera y no de otra manera. He estado estudiando los enlaces químicos desde la escuela de posgrado y, en el curso de mi investigación, pude formular algunas reglas que explican lógicamente lo que está sucediendo. Estudié cómo se comportan los electrones en tales compuestos y obtuve patrones generales que son característicos de ellos bajo alta presión. Para probar si estas reglas son un producto de mi imaginación o siguen siendo objetivamente ciertas, predije las estructuras de compuestos similares: LiBr o NaBr, y algunos más similares. De hecho, se aplican las reglas generales. En resumen, he visto que existe la tendencia de que cuando aplicas presión en dichas uniones, forman una estructura metálica bidimensional y luego unidimensional. Luego, bajo una presión muy alta, comienzan a suceder cosas más salvajes porque el cloro tendría un estado de oxidación de -2. Todos los químicos saben que el cloro tiene un estado de oxidación de -1, este es un ejemplo típico de libro de texto: el sodio pierde un electrón y el cloro lo toma. Por lo tanto, los números de oxidación son +1 y −1, respectivamente. Pero bajo mucha presión, las cosas no funcionan de esa manera. Hemos demostrado esto con la ayuda de algunos enfoques para el análisis de enlaces químicos. También en el curso del trabajo, busqué literatura especial para entender si alguien ya había observado tales patrones. Y resultó que sí, lo hicieron. Si no me equivoco, el bismutato de sodio y algunos otros compuestos obedecen las reglas descritas. Por supuesto, esto es solo el comienzo. Cuando se publiquen los próximos artículos sobre el tema, descubriremos si nuestro modelo tiene poder predictivo real. Porque eso es exactamente lo que estamos buscando. Queremos describir leyes químicas que se mantendrían incluso a altas presiones”. .

Hace dos o tres años el profesor Oganov descubrió que la sal simple NaCl a alta presión no es muy simple y se formarán otros compuestos. Pero nadie sabe por qué. Hicieron un cálculo y obtuvieron los resultados, pero no se puede decir por qué sucede esto. Entonces, dado que durante mi doctorado me especialicé en el estudio de los enlaces químicos, investigo estos compuestos y encuentro alguna regla para racionalizar lo que está sucediendo. Investigué cómo se comportan los electrones en estos compuestos y se me ocurrieron algunas reglas que estos tipos de compuestos seguirán a alta presión. Para verificar si mis reglas eran solo mi imaginación o eran ciertas, predije nuevas estructuras de compuestos similares. Por ejemplo LiBr o NaBr y algunas combinaciones como esta. Y sí, estas reglas resultan ser seguidas. En resumen, para no ser muy especialista, he visto que hay una tendencia: cuando los comprimes, forman metales bidimensionales, luego estructuras metálicas unidimensionales. Y luego, a muy alta presión, ocurriría algo más salvaje porque el Cl en este caso tendrá el número de oxidación de -2. Todos los químicos saben que el número de oxidación más bajo de Cl es −1, que es un ejemplo típico de libro de texto: el sodio pierde electrones y el cloro los obtiene. Entonces tenemos números de oxidación +1 y −1. Pero a una presión muy alta ya no es cierto. Demostramos esto con algunos enfoques para el análisis de enlaces químicos. En ese trabajo también traté de mirar la literatura para ver si alguien había visto este tipo de reglas antes. Y sí, resultó que había algunos. Si no me equivoco, el Na-Bi y otros compuestos siguieron estas reglas. Es sólo un punto de partida, por supuesto. Los otros artículos aparecerán y veremos si este modelo tiene un poder predictivo real. Porque esto es lo que estamos buscando. Queremos esbozar la química que funcionará también para alta presión.

Figura 12. La estructura de una sustancia con la fórmula química Na 4 Cl 3 , que se forma a una presión de 125-170 GPa, lo que demuestra claramente la aparición de una química "extraña" bajo presión.

Si experimentas, entonces selectivamente

A pesar de que el algoritmo USPEX tiene un gran poder predictivo dentro de sus tareas, la teoría siempre requiere verificación experimental. El laboratorio de diseño de materiales informáticos es teórico, como sugiere incluso su nombre. Por lo tanto, los experimentos se llevan a cabo en cooperación con otros equipos científicos. Gabriele Saleh comenta sobre la estrategia de investigación adoptada en el laboratorio de la siguiente manera:

“No realizamos experimentos, somos teóricos. Pero a menudo cooperamos con las personas que lo hacen. De hecho, creo que en general es difícil. Hoy en día, la ciencia es muy especializada, por lo que no es fácil encontrar a alguien que haga ambas cosas”. .

No hacemos experimentos, pero a menudo colaboramos con algunas personas que hacen experimentos. En realidad, creo que, de hecho, es difícil. Hoy en día la ciencia está muy especializada por lo que es difícil encontrar a alguien que haga ambas cosas.

Uno de los ejemplos más claros es la predicción del sodio transparente. En 2009 en la revista Naturaleza se publicaron los resultados del trabajo realizado bajo la dirección de Artem Oganov. En el artículo, los científicos describieron una nueva forma de Na, en la que es un no metal transparente que se convierte en un dieléctrico bajo presión. ¿Por qué sucede? Esto se debe al comportamiento de los electrones de valencia: bajo presión, son forzados a salir a los huecos de la red cristalina formada por átomos de sodio (Fig. 13). En este caso desaparecen las propiedades metálicas de la sustancia y aparecen las cualidades del dieléctrico. Una presión de 2 millones de atmósferas hace que el sodio sea rojo, y 3 millones de atmósferas lo hacen incoloro.

Figura 13. Sodio bajo presión de más de 3 millones de atmósferas. en azul muestra la estructura cristalina de los átomos de sodio, naranja- racimos de electrones de valencia en vacíos de la estructura.

Pocos creían que el metal clásico pudiera exhibir tal comportamiento. Sin embargo, en colaboración con el físico Mikhail Yeremets, se obtuvieron datos experimentales que confirmaron completamente la predicción (Fig. 14).

Figura 14. Fotografías de una muestra de Na tomada con una combinación de iluminación transmitida y reflejada. Se aplicaron diferentes presiones a la muestra: 199 GPa (fase transparente), 156 GPa, 124 GPa y 120 GPa.

¡Hay que trabajar con fuego!

Artem Oganov nos contó qué requisitos impone a sus empleados:

“Primero, deben tener una buena educación. En segundo lugar, sea trabajador. Si una persona es perezosa, entonces no lo contrataré, y si de repente lo contrato por error, lo echaré. Simplemente despedí a varios empleados que resultaron flojos, inertes, amorfos. Y creo que esto es absolutamente correcto y bueno incluso para la persona misma. Porque si una persona no está en su lugar, no será feliz. Necesita ir a donde va a trabajar con un brillo, con entusiasmo, con placer. Y esto es bueno para el laboratorio y bueno para la persona. Y esos muchachos que realmente trabajan maravillosamente, con un brillo, pagamos un buen salario, van a conferencias, escriben artículos que luego se publican en las mejores revistas del mundo, todo estará bien con ellos. Porque están en el lugar correcto y porque el laboratorio tiene buenos recursos para apoyarlos. Es decir, los muchachos no necesitan pensar en ganar dinero para sobrevivir. Pueden concentrarse en la ciencia, en su negocio favorito, y hacerlo con éxito. Ahora tenemos algunas subvenciones nuevas, y esto nos abre la posibilidad de contratar a algunas personas más. Hay competencia todo el tiempo. La gente aplica todo el año, pero por supuesto, no los acepto a todos”.. (2016). Hidrato cristalino de 4-aminopiridina, método para su preparación, composición farmacéutica y método de tratamiento y/o prevención a base de la misma. física química química física 18 , 2840–2849;

Ma Y., Eremets M., Oganov A.R., Xie Y., Trojan I., Medvedev S. et al. (2009). Sodio denso transparente. Naturaleza. 458 , 182–185;

Lyakhov A.O., Oganov A.R., Stokes H.T., Zhu Q. (2013). Nuevos desarrollos en el algoritmo de predicción de estructura evolutiva USPEX. computar física común 184 , 1172–1182.