Laboratorio de diseño de materiales informáticos: ¿Qué puede dar USPEX? Artem Oganov. Diseño informático de nuevos materiales: ¿sueño o realidad? Diseño informático de nuevos materiales

Artem Oganov, uno de los mineralogistas teóricos más citados del mundo, nos habló sobre la predicción por computadora, que recientemente se ha vuelto factible. Anteriormente, este problema no podía resolverse porque el problema del diseño informático de nuevos materiales incluye el problema de las estructuras cristalinas, que se consideraba insoluble. Pero gracias a los esfuerzos de Oganov y sus colegas, lograron acercarse a este sueño y hacerlo realidad.

Por qué es importante esta tarea: anteriormente, se desarrollaron nuevas sustancias durante mucho tiempo y con mucho esfuerzo.

Artem Oganov: “Los experimentadores van al laboratorio. Se mezclan diferentes sustancias a diferentes temperaturas y presiones. Obtén nuevas sustancias. Mide sus propiedades. Por regla general, estas sustancias no son de interés y se desechan. Y los experimentadores están intentando de nuevo obtener una sustancia ligeramente diferente en diferentes condiciones, con una composición ligeramente diferente. Y así, paso a paso, superamos muchos fracasos, pasando años de nuestra vida en ello. Resulta que los investigadores, con la esperanza de obtener un material, gastan una gran cantidad de esfuerzo, tiempo y también dinero. Este proceso puede llevar años. Puede convertirse en un callejón sin salida y nunca conducir al descubrimiento del material adecuado. Pero incluso cuando conduce al éxito, este éxito tiene un precio muy alto ".

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

Tecnología de predicción

Lo principal para 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 inmensa mayoría de ellos no son de interés. Importantes 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, veamos el diamante y el grafito. Químicamente, son una y la misma sustancia. Pero las propiedades son completamente diferentes. Carbono súper blando negro y diamante súper duro transparente: ¿qué marca la diferencia entre ellos? Es la estructura cristalina. Es gracias a ella que una sustancia es superdura y la otra super suave. Uno es prácticamente un conductor de metal. El otro es dieléctrico ".

Para aprender a predecir un nuevo material, primero hay que 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 todas las infinitas estructuras cristalinas. Lo probaremos paso a paso, partiendo de una pequeña muestra aleatoria, dentro de la cual clasificamos las posibles soluciones, descartando las peores. Y de lo mejor producimos variantes hijas. Las variantes hijas se producen por varias mutaciones o por recombinación, por herencia, donde de dos padres combinamos diferentes características estructurales de la composición. Esto da lugar a una estructura infantil: un material infantil, una composición química infantil, una estructura infantil. A continuación, estas filiales también se evalúan. Por ejemplo, por resistencia o por la propiedad química o física que le interese. Y los que se clasificaron como no rentables, los descartamos. Aquellos que son prometedores obtienen el derecho a producir descendencia. Producimos la próxima generación por mutación o herencia ".

Entonces, paso a paso, los científicos se están acercando al material que es 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; Oganov y sus colegas implementan este principio en una computadora cuando buscan estructuras cristalinas que sean óptimas desde el punto de vista de una propiedad o estabilidad dada.

“También puedo decir (pero esto ya está un poco al borde del vandalismo) que cuando estábamos trabajando en este método (por cierto, el desarrollo continúa. Ha mejorado cada vez más), experimentamos con diferentes formas de evolución. . Por ejemplo, intentamos producir un hijo no de dos padres, sino de tres o cuatro. Resultó que, al igual que en la vida, es óptimo tener un hijo de dos padres. Un niño tiene dos padres: papá y mamá. No tres, ni cuatro, ni veinticuatro. Este es el óptimo tanto en la naturaleza como en una computadora ".

Oganov patentó su método y ahora lo utilizan casi miles de investigadores de todo el mundo y varias empresas importantes como Intel, Toyota y Fujitsu. Toyota, por ejemplo, según Oganov, desde hace algún tiempo ya utiliza este método para inventar un nuevo material para baterías de litio que se utilizará en automóviles híbridos.

Problema del diamante

Se cree que el diamante, al ser el poseedor del récord de dureza, es el material superduro óptimo para todas las aplicaciones. Sin embargo, esto no es así, porque en el hierro, por ejemplo, se disuelve, y en una atmósfera de oxígeno a altas temperaturas se quema. En general, la búsqueda de un material más duro que el diamante ha preocupado a la humanidad durante muchas décadas.

“Un simple cálculo por computadora, que fue realizado por mi grupo, muestra que tal 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 a un diamante en 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 realmente encuentra obstáculos. Porque los materiales dieléctricos existentes no resisten bien las cargas eléctricas. Están goteando. Y una mayor miniaturización es imposible. Si podemos obtener un material que se sostiene sobre silicio, pero al mismo tiempo tiene una constante dieléctrica mucho más alta que los materiales que tenemos, entonces podemos resolver este problema. Y también hemos avanzado bastante en esta dirección ”.

Y lo último que hace Oganov es el desarrollo de nuevos fármacos, es decir, también su predicción. 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 del cristal en sí. 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 peróxido de iones). También contienen grupos similares al ozono, compuestos por tres átomos de oxígeno. Esto explica una observación sumamente interesante e importante. Cuando una persona inhala partículas finas de minerales de óxido que aparentemente son inertes, seguros e inofensivos, estas partículas juegan una broma cruel y contribuyen al desarrollo del cáncer de pulmón. En particular, se sabe que el amianto es un carcinógeno, que es extremadamente inerte. Entonces, en la superficie de minerales como el amianto y el cuarzo (especialmente el cuarzo), se pueden formar iones de peróxido, que juegan un papel clave en la formación y desarrollo del cáncer. Nuestra técnica también puede predecir las condiciones en las que se podría evitar la formación de este tipo de partículas. Es decir, incluso existe la esperanza de encontrar terapia y prevención del cáncer de pulmón. En este caso, solo estamos hablando de cáncer de pulmón. Y desde un lado completamente inesperado, los resultados de nuestra investigación hicieron 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 la microelectrónica como para los productos farmacéuticos. En general, esta tecnología abre un nuevo camino en la tecnología del futuro, Oganov está seguro.

Puedes leer sobre otras áreas del laboratorio de Artyom siguiendo el enlace y familiarizarte con su libro. Métodos modernos de predicción de la estructura cristalina

Publicamos el texto de una conferencia impartida por un profesor de la Universidad Estatal de Nueva York, profesor adjunto de la Universidad Estatal de Moscú y profesor honorario de la Universidad Guilin.Artem Oganov 8 Septiembre de 2012 como parte de la serie "Conferencias públicas" Polit.ru "en el festival del libro al aire libre BookMarket en el parque de las artes "Muzeon".

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. Me siento honrado de dar esta conferencia; Espero lo encuentres interesante.

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, tecnologías que se aplican en medicina, etc., todo esto depende en gran medida de nuevos materiales, las nuevas tecnologías requieren nuevos materiales, materiales con propiedades únicas y especiales. Y habrá una historia sobre cómo estos nuevos materiales se pueden desarrollar no en un laboratorio, sino en una computadora.

La conferencia se titula: "Diseño informático de nuevos materiales: ¿sueño o realidad?" Si esto fuera solo un sueño, entonces la conferencia no tendría sentido. Los sueños suelen ser algo fuera del ámbito de la realidad. Por otro lado, si esto ya estuviera completamente implementado, la conferencia tampoco tendría sentido, porque un nuevo tipo de metodología, incluidas las teóricas computacionales, cuando ya están completamente desarrolladas, están pasando de la categoría de ciencia a la categoría de ciencia. Tareas industriales rutinarias. De hecho, esta área es completamente nueva: el diseño por computadora de nuevos materiales se encuentra en algún lugar intermedio entre un sueño - lo que es imposible, lo que soñamos a nuestro aire - y la realidad, esta es un área que aún no está completamente terminada. esta es un área que se está desarrollando en este momento. Y esta área permitirá en un futuro próximo desviarse del método tradicional de descubrimiento de nuevos materiales, laboratorio, e iniciar el diseño informático de materiales, sería más económico y rápido, en muchos aspectos incluso más confiable. Y así es como se hace, y te lo diré. Esto está directamente relacionado con el problema de la predicción, predicción de la estructura de una sustancia, porque la estructura de una sustancia determina sus propiedades. La diferente estructura de la misma sustancia, digamos carbono, determina el diamante superduro y el grafito super suave. La estructura en este caso lo es todo. La estructura de la sustancia.

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 la hipótesis de que la materia se compone de 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 está ordenada la materia, cómo esta sustancia consta de 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, desafortunadamente. 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 de la realidad, es similar en muchos aspectos a ella. Pero, sin embargo, la hipótesis sobre la estructura atómica de la materia siguió siendo una hipótesis hasta el siglo XX, hasta que hace cien años esta hipótesis quedó científicamente probada por primera vez. Se probó 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 era Nikolai Stenon. Fundó no solo la cristalografía, sino varias disciplinas científicas, y formuló la primera ley de la cristalografía. Desde ese momento, comenzó a desarrollarse la cristalografía a lo largo de una trayectoria acelerada.

Nikolai 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 mayor poeta alemán, Goethe, también fue cristalógrafo. Y Goethe tiene una cita de que la cristalografía es improductiva, existe dentro de sí misma, y ​​en general esta ciencia es completamente inútil, y no está claro por qué se necesita, pero como rompecabezas es muy interesante, y por eso atrae a muy inteligentes. gente. Esto es lo que dijo Goethe en una conferencia de divulgación científica, que dio en algún lugar de los balnearios de Baden, a damas adineradas y holgazaneadas. Por cierto, hay un mineral que lleva el nombre de Goethe, la goethita. Debo decir que en ese momento la cristalografía era realmente una ciencia bastante inútil, realmente al nivel de una especie de adivinanzas y acertijos matemáticos. Pero el tiempo pasó, y hace 100 años la cristalografía abandonó la categoría de tales ciencias en sí misma y se convirtió en una ciencia extremadamente útil. Esto fue precedido por una gran tragedia.

Repito, 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 severamente criticado por muchos de sus oponentes: "¿Cómo puedes construir todas tus teorías sobre una hipótesis no probada?" Ludwig Boltzmann, influenciado por esta crítica y mala salud, se suicidó en 1906. Se ahorcó mientras estaba de vacaciones con su familia en Italia. Solo 6 años después, se comprobó la estructura atómica de la materia. Entonces, si hubiera sido un poco más paciente, habría triunfado sobre todos sus oponentes. La paciencia a veces significa más que la razón, la paciencia significa más que incluso la genialidad. Entonces, ¿cuáles fueron estos experimentos? Estos experimentos fueron realizados por Max von Laue, más precisamente, sus estudiantes de posgrado. El propio Max von Laue no hizo tales experimentos, pero la idea le pertenecía. La idea era que si la materia realmente consiste en átomos, si de hecho, como sugirió Kepler, los átomos se construyen en un cristal de una manera regular periódica, entonces debería observarse un fenómeno interesante. Los rayos X se descubrieron no mucho antes. 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 de un objeto, en este caso, un cristal, entonces se debe observar el fenómeno de difracción. Es decir, los rayos viajarán no solo estrictamente en línea recta, sino que también se desviarán en ángulos muy estrictamente definidos. Por lo tanto, se debe observar un patrón de difracción de rayos X muy especial desde el cristal. 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, cómo comprobarlo?

Una idea simple, un experimento simple, para 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 ligero para que todos puedan observar este experimento. ¿Pero quizás podamos intentarlo con un testigo? ¿Quién podría venir aquí e intentar ver este experimento?

Mirar. Aquí hay un puntero láser, lo iluminamos, ¿y qué está sucediendo aquí? No tenemos rayos X, sino un láser óptico. Y esta no es la estructura del cristal, sino su imagen, inflada 10 mil veces: pero la longitud de onda del láser también es 10 mil veces la longitud de onda de la radiación de rayos X, y por lo tanto la condición de difracción se cumple nuevamente: la comparabilidad de la longitud de onda. con el período de la red cristalina. Echemos un vistazo a un objeto que no tiene una estructura regular, un líquido. Aquí, Oleg, sostén esta foto, y yo brillaré con un láser, acércate, la foto será pequeña, porque no podemos proyectar ... mira, ves un anillo aquí, adentro hay un punto que caracteriza el paso directo. de la viga. Pero el anillo 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 más átomos ...

Artyom Oganov: No, debido al hecho de que los átomos están dispuestos de una manera estrictamente definida, podemos observar tal patrón de difracción. Esta imagen es muy simétrica y esto es importante. Aplaudamos a Oleg por un brillante experimento que le habría hecho ganar el Premio Nobel hace 100 años.

Luego, al año siguiente, el padre y el hijo de Braggie aprendieron a descifrar imágenes de difracción para determinar estructuras cristalinas a partir de ellas. 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 basadas en la experimentación. Aquí está el experimento que Oleg y yo hemos reproducido. Aquí está la estructura inicial, aquí están las moléculas de benceno y Oleg observó una imagen de difracción. Ahora, con la ayuda del experimento, es posible descifrar estructuras muy complejas, en particular las estructuras de los cuasicristales, y para el descubrimiento de los cuasicristales, este nuevo estado de la materia sólida, el año pasado se otorgó el Premio Nobel de Química. ¡Qué dinámica es esta zona, qué descubrimientos fundamentales se están realizando en nuestro siglo! La estructura de las proteínas y otras moléculas biológicamente activas también se descifra mediante difracción de rayos X, este gran método cristalográfico.

Entonces, conocemos 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 una sustancia, puede predecir muchas, muchas de sus propiedades, con un alto grado de confiabilidad. Aquí está la estructura del silicato de magnesio, un tipo de perovskita. Conociendo las posiciones aproximadas de los átomos, puede predecir, por ejemplo, una propiedad tan 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 esta sustancia es bastante importante, constituye el 40% del volumen de nuestro planeta. Este es el material más común en la Tierra. Y ahora puedes comprender las propiedades de esta sustancia, que existe a grandes profundidades, 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 una sustancia para predecir nuevos materiales y qué se ha hecho con 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 ella, y cuando el hielo comienza a derretirse, las moléculas de agua obstruyen estos huecos hexagonales, debido a esto, la densidad del agua se vuelve más de la densidad del hielo. Y podemos demostrar cómo se lleva a cabo este proceso. Te mostraré un cortometraje, míralo con atención. La fusión comenzará desde las superficies, que es como sucede realmente, pero este es un cálculo de computadora. Y verás cómo la fusión se extiende hacia adentro ... las moléculas se mueven y ves que estos canales hexagonales se obstruyen y se pierde la corrección de la estructura.

El hielo tiene varias formas diferentes, y la forma del hielo es muy interesante, que se obtiene llenando los vacíos de la estructura del hielo con moléculas invitadas. Pero la estructura en sí también cambiará. Me refiero a los llamados hidratos de gas o clatratos. Verá un marco de moléculas de agua, en el que hay vacíos en los que están presentes moléculas invitadas o átomos. Las moléculas huésped pueden ser metano: gas natural, tal vez dióxido de carbono, tal vez, 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 tradicionales. Los depósitos de este tipo se encuentran, por regla general, en la plataforma marina y en las zonas de permafrost. El problema es que los seres humanos todavía no han aprendido a extraer gas de forma 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 existe allí con bastante calma durante muchos miles de años. El hidrato de xenón sirvió como explicación para 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, una persona deja de sentir dolor. Se ha utilizado y parece que a veces se utiliza ahora para anestesia en procedimientos quirúrgicos. ¿Por qué?

El xenón, a baja presión, forma compuestos con moléculas de agua, formando los mismos hidratos de gas que bloquean 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 tal 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 estas sustancias porosas, no podemos dejar de recordar los silicatos microporosos, las denominadas zeolitas, 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 por los huecos de la estructura, y el que es grueso se elimina, y por lo tanto tales estructuras, tales sustancias se llaman tamices moleculares. Estos tamices moleculares se utilizan para depurar el agua, en particular, el agua que bebemos en nuestros grifos, debe pasar por múltiples filtraciones, incluso mediante el uso de zeolitas. De esta manera, puede deshacerse de la contaminación con una amplia variedad de contaminantes químicos. Los contaminantes químicos a veces son extremadamente peligrosos. La historia conoce ejemplos de cómo el envenenamiento por metales pesados ​​dio lugar a ejemplos históricos muy tristes.

Aparentemente, las víctimas del envenenamiento por mercurio fueron el primer primer emperador de China: Qin Shi Huang Ti e Iván el Terrible, y la llamada enfermedad del sombrerero loco está muy bien estudiada, en los siglos 18-19 en Inglaterra una clase completa de las personas que trabajaban en la industria del sombrero enfermaron muy pronto de una enfermedad neurológica llamada enfermedad del sombrerero loco. Su habla se volvió incoherente, sus acciones sin sentido, sus miembros temblaron incontrolablemente y cayeron en la demencia y la locura. Su cuerpo estaba constantemente en contacto con mercurio, ya que empaparon estos sombreros en soluciones de sales de mercurio, que ingresaron a sus cuerpos y afectaron el sistema nervioso. Iván el Terrible era un buen zar muy progresista menor de 30 años, después de eso cambió de la noche a la mañana y se convirtió en un tirano loco. Cuando su cuerpo fue exhumado, resultó que sus huesos estaban severamente deformados y contenían una gran concentración de mercurio. El hecho es que el zar sufría de una forma grave 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 explica la extraña locura de Iván el Terrible. Qin Shi Huang Ti, 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 su amante mataron a su padre, y luego intentaron deshacerse de él también, una historia terrible. Pero, habiendo madurado, comenzó a gobernar por su cuenta, y en 12 años detuvo la guerra interna entre los 7 reinos de China, que duró 400 años, unificó a China, combinó medidas de peso, dinero, escritura china unificada, construyó la Gran Muralla China, construyó 6, 5 mil kilómetros de carreteras que aún están en uso, canales que aún están en uso, y todo fue hecho por una sola persona, pero en los últimos años sufrió alguna extraña forma de manía locura. Sus alquimistas, con el fin de hacerlo inmortal, le dieron pastillas de mercurio, creían que esto lo haría inmortal, como resultado, este hombre, aparentemente distinguido por una salud notable, murió antes de los 50 años, y los últimos años de esta corta vida se vio empañada por la locura. El envenenamiento por plomo puede haber hecho que muchos emperadores romanos fueran víctimas de él: en Roma había un acueducto de plomo, un acueducto, y se sabe que con el envenenamiento por plomo se contraen ciertas partes del cerebro, incluso se puede ver en fotografías tomográficas, la inteligencia cae, El coeficiente intelectual cae, 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 efectos no deseados, necesitamos desarrollar nuevos materiales para limpiar el medio ambiente.

Los materiales interesantes, que no se explican completamente, son los superconductores. La superconductividad también se descubrió hace 100 años. Este fenómeno es exótico en muchos sentidos, se descubrió de forma aleatoria. Simplemente enfriaron el 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 el 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 explicar, esta explicación trajo 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 misma clase: los superconductores de alta temperatura basados ​​en cobre. Una característica interesante es que tal superconductividad todavía no tiene explicación. Los superconductores tienen muchas aplicaciones. 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 flotante magnética son otra aplicación, y aquí hay una foto que tomé personalmente en Shanghai en un tren de este tipo: puede ver el indicador de velocidad a 431 kilómetros por hora. Los superconductores son a veces muy exóticos: los superconductores orgánicos se conocen desde hace más de 30 años, es decir, superconductores basados ​​en carbono, resulta que incluso el diamante puede convertirse en un superconductor introduciendo una pequeña cantidad de átomos de boro en él. El grafito también puede convertirse en un superconductor.

Aquí también hay un interesante paralelo histórico sobre cómo las propiedades de los materiales o su ignorancia pueden tener consecuencias fatales. Dos historias que son muy hermosas, pero que parecen históricamente incorrectas, pero aún así las contaré, porque una historia hermosa a veces es mejor que una historia real. En la literatura de divulgación científica se pueden encontrar muy a menudo referencias a cómo el efecto de la plaga del estaño - y aquí está su muestra - arruinó las expediciones de Napoleón en Rusia y el Capitán Scott al Polo Sur. El hecho es que a una temperatura de 13 grados centígrados, el estaño sufre una transición del metal (es decir, el estaño blanco) al estaño gris, un semiconductor, mientras que la densidad desciende bruscamente y el estaño se deshace. Esto se llama la "plaga del estaño": el estaño simplemente se convierte en polvo. Y aquí hay una historia para la 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. Viene 620, a Borodino casi sin pelea llega 150 mil. Bajo Borodino, hubo alrededor de 40 mil víctimas más, luego la retirada de Moscú, y 5 mil sobrevivieron a París. Por cierto, la retirada también fue casi sin pelea. ¿Qué está pasando? ¿Cómo pasar de 620 mil a 5 mil sin luchar? Hay historiadores que afirman que la plaga del estaño tiene la culpa de todo: los botones de los uniformes de los soldados eran de estaño, el estaño se desmoronaba apenas llegó el frío y los soldados estaban prácticamente desnudos en la helada rusa. El problema es que los botones estaban hechos de hojalata sucia, que es resistente a la plaga del estaño.

Muy a menudo se puede ver en la prensa de divulgación científica que el Capitán Scott, según varias versiones, o llevaba aviones con él, en los que los tanques de combustible tenían soldaduras de estaño, o alimentos enlatados en latas de hojalata; la hojalata volvió a desmoronarse y la expedición murió. de hambre y frío. De hecho, leí los diarios del Capitán Scott: no mencionó ningún avión, tenía algún tipo de motos de nieve, pero nuevamente no escribe sobre el tanque de combustible y tampoco sobre alimentos enlatados. Así que estas hipótesis parecen equivocadas, pero muy interesantes e instructivas. Y recordar el efecto de la plaga del estaño es útil en cualquier caso si vas a un clima frío.

Aquí hay otra experiencia, y aquí necesito agua hirviendo. Otro efecto asociado con los materiales y su estructura, que no se le habría ocurrido a ninguna persona, es el efecto de memoria de forma, también descubierto por accidente. En esta ilustración, puede ver que mis colegas hicieron dos letras con este cable: TU, Universidad Técnica, endurecieron esta forma a altas temperaturas. Si una forma se endurece a alta temperatura, el material recordará esta forma. Puedes hacer un corazón, por ejemplo, regalar a un amado y decir: este corazón recordará mis sentimientos para siempre ... entonces esta forma se puede destruir, pero tan pronto como la pones en agua caliente, la forma se restaura, se parece magia. Acaba de romper esta forma, pero póngala en agua caliente; la forma se restaura. 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 ocurre en el acero, pero en el acero ocurre demasiado lentamente, y el recuerdo del efecto de forma no surge. 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, adherencias en gasoductos y oleoductos. Ahora necesito otro voluntario ... por favor, ¿cómo te llamas? Vika? Necesitaremos la ayuda de Vicky con este cable, es un cable con memoria de forma. La misma aleación de 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 alambre 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 alambre recordará esta forma ... bueno, ¿cómo se enderezó? Este efecto se puede observar para siempre, probablemente lo he visto mil veces, pero cada vez, como un niño, miro y admiro qué hermoso efecto. Aplaudamos a Vika. Sería fantástico si pudiéramos aprender a predecir este tipo de 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 diferentes direcciones y a diferentes velocidades. Como resultado, si miras a través del cristal a algún tipo de inscripción, la inscripción siempre se duplicará ligeramente. Pero, por regla general, es indistinguible a nuestros ojos. En algunos cristales, este efecto es tan fuerte que en realidad puedes ver dos inscripciones.

Pregunta de la audiencia: Dijiste: ¿a diferentes velocidades?

Artem Oganov: Sí, la velocidad de la luz es constante solo en el vacío. En medios condensados, es menor. Además, solíamos pensar que cada material tiene un color específico. 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 la cordierita mineral, en la que en diferentes direcciones el color cambia de amarillo parduzco a azul, es un solo y mismo cristal. ¿Alguien me cree? Traje especialmente un cristal de cordierita, así que por favor ... mira, ¿de qué color?

Pregunta de la audiencia: Parece blanco, pero así ...

Artem Oganov: Desde un poco de luz, como el blanco, hasta el morado, simplemente gira el cristal. De hecho, existe una leyenda islandesa sobre cómo los vikingos descubrieron América. Y muchos historiadores ven esta leyenda como una indicación del uso de este efecto. Cuando los vikingos se perdieron en medio del Océano Atlántico, su rey sacó cierta piedra solar, y en la luz del crepúsculo pudo determinar la dirección hacia el oeste, por lo que nadaron hacia América. Nadie sabe qué es una piedra solar, pero muchos historiadores creen que una piedra solar es lo que Vika tiene en sus manos, cordierita, por cierto, la cordierita se encuentra frente a la costa de Noruega, y con la ayuda de este cristal realmente se puede navegar en el luz del crepúsculo, luz del atardecer, así como en latitudes polares. Y este efecto fue utilizado por la Fuerza Aérea de los Estados Unidos 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: luz diurna y eléctrica. Y finalmente, otro efecto interesante que los científicos y críticos de arte no pudieron comprender durante muchos siglos. El Lycurgus Bowl es un objeto que fue elaborado por artesanos romanos hace más de 2 mil años. En luz difusa, este cuenco es verde y en luz transmitida, es rojo. Y logré entender esto hace solo unos años. Resultó que el cuenco 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 de la audiencia:¿Se pueden explicar los conceptos de "reflejado" y "pasajero"?

Artem Oganov:¡Poder! Por cierto, observo que estos mismos espectros de absorción determinan por qué la cordierita tiene diferentes colores en diferentes direcciones. El hecho es que la estructura cristalina en sí, en particular la cordierita, se ve diferente en diferentes direcciones, y la luz en estas direcciones se absorbe de diferentes maneras.

¿Qué es la luz blanca? Este es el espectro completo de rojo a violeta, y cuando la luz pasa a través del cristal, parte de este rango se absorbe. Por ejemplo, un cristal puede absorber azul y cuál será el resultado, puede verlo en esta tabla. Si absorbe los rayos azules, entonces la salida será naranja, es decir, cuando vea algo naranja, sabrá que esta sustancia absorbe en el rango azul. La luz difusa es cuando tienes el mismo cuenco de Licurgo 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 difusión de la luz, el cielo es azul. Existe una ley de dispersión de Rayleigh que puede explicar estos colores.

Les he mostrado cómo se relacionan las propiedades con la estructura. Y ahora veremos brevemente cómo se puede predecir la estructura cristalina. Esto significa que el problema de predecir las estructuras cristalinas se consideraba insoluble hasta hace muy poco. El 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 enumerar 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 enumerarlas, de hecho, incluso para sistemas bastante simples, digamos , con 20 átomos, necesitará más de tiempo de vida del universo para clasificar todas estas posibles combinaciones en la computadora. Por tanto, se creía que esta tarea era irresoluble. Sin embargo, fue posible resolver este problema, además de varios métodos, y el método más eficaz, aunque pueda parecer inmodesta, fue el 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. Digámoslo de esta manera, como lo expresó mi colega australiano Richard Clegg: él es australiano, ama a los canguros, y en su formulación con la ayuda de canguros, suficientes animales no inteligentes, es necesario determinar el punto más alto en la superficie de la tierra. El canguro solo entiende instrucciones simples: sube, baja. En el algoritmo evolutivo, lanzamos un aterrizaje de canguros, al azar, a diferentes partes 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 a Elbrus, aquellos de ellos que no han llegado alto son eliminados y devueltos. Llega un cazador, casi dice 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, al disparar canguros cada vez más altos, llevarás la población de canguros al máximo mundial. Los canguros producirán crías cada vez más exitosas, los cazadores dispararán cada vez más canguros trepadores y, por lo tanto, esta población simplemente puede ser conducida al Everest.

Y esta es la esencia de los métodos evolutivos. En aras de la simplicidad, omito los detalles técnicos de cómo se implementó exactamente. Y aquí hay otra implementación bidimensional de este método, aquí está la superficie de las energías, 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 roja y amarilla, cuáles de ellas son las más prometedoras: en las áreas azules y verdosas. Y paso a paso, la densidad de pruebas de las áreas más prometedoras crece hasta encontrar la estructura más adecuada 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 descendencia de los padres en una computadora. ¿Cómo tomar dos estructuras parentales y convertirlas en un niño? De hecho, en una computadora, puedes hacer niños no solo de dos padres, experimentamos, nosotros de tres y de cuatro intentamos hacer. Pero resulta que esto no conduce a nada bueno, como en la vida. Un niño está mejor si tiene 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, lo hacen similar a la evolución biológica. Vemos cómo a partir de las estructuras aleatorias no adaptadas a partir de las cuales comenzamos el cálculo, en el curso del cálculo, aparecen soluciones altamente organizadas y altamente ordenadas. Vemos que los cálculos son más efectivos cuando la población de estructuras es la más diversa. Las poblaciones más estables y que más sobreviven son las poblaciones de diversidad. Por ejemplo, lo que me gusta de Rusia es que hay más de 150 pueblos en Rusia. Los hay rubios, los 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 en los cálculos de eficiencia.

¿Podemos predecir que el grafito es la forma estable del carbono a presiones atmosféricas? Si. Este cálculo es muy rápido. Pero además del grafito, producimos varias soluciones interesantes ligeramente menos estables en el mismo cálculo. Y estas soluciones también pueden ser interesantes. Si aumentamos la presión, el grafito ya es inestable. Y el diamante es estable, y también lo encontramos muy fácilmente. Vea cómo el cálculo produce rápidamente un diamante a partir de estructuras iniciales desordenadas. Pero antes de encontrar un diamante, se producen varias estructuras interesantes. Por ejemplo, esta estructura. Mientras que el diamante tiene anillos hexagonales, los anillos de 5 y 7 lados son visibles aquí. Esta estructura es solo ligeramente inferior en estabilidad a la del diamante, y al principio pensamos que era una curiosidad, y luego resultó que se trata de una nueva forma de carbono realmente existente, que recientemente establecimos 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 del diamante, será estable una estructura muy extraña, cuya estabilidad para el carbono a tales presiones se ha adivinado durante muchas décadas, y nuestro cálculo lo confirma.

Tanto nosotros como nuestros colegas hemos hecho mucho con este método, aquí hay una pequeña selección de diferentes descubrimientos. Déjame contarte solo algunos de ellos.

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

Ahora podemos optimizar no solo la energía, sino también cualquier propiedad. La propiedad más simple es la densidad y el diamante es el material más denso conocido hasta ahora. Almaz es generalmente un poseedor de récords de muchas maneras. Un centímetro cúbico de diamante contiene más átomos que 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 dará la respuesta. Y la respuesta es sí, algunos de estos récords pueden romperse. Resultó que la densidad de un diamante es fácil de superar, 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 más altos y dispersión de la luz, ¿qué significa esto? El índice de refracción de un diamante le da a un diamante su brillo incomparable y su reflejo de luz interno, y la dispersión de la luz significa que la luz blanca se dividirá en un espectro de rojo a violeta incluso más que un diamante. Por cierto, aquí está el material que a menudo reemplaza al diamante en la industria de la joyería: circonita cúbica, circonita 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. ¿Y la dureza? Hasta 2003, se creía que la dureza es una propiedad que la gente nunca aprenderá a predecir y calcular, en 2003 todo cambió con el trabajo de los científicos chinos, y este verano visité la Universidad de Yangshan en China, donde recibí otro título de profesor honorario, y allí visité al fundador de toda esta teoría. Logramos desarrollar esta teoría.

Aquí hay una tabla que muestra cómo las determinaciones 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 superduro, lo que obviamente es incorrecto. Logramos comprender y corregir este error. Y ahora, usando este modelo, predecimos de manera confiable la dureza de cualquier sustancia, y podemos hacerle a la computadora la siguiente pregunta: ¿Qué sustancia es la más dura? ¿Se puede superar el diamante en dureza? La gente ha pensado en esto durante muchas, muchas décadas. Entonces, ¿cuál es la estructura más dura para el carbono? La respuesta fue desalentadora: el diamante, y nada más duro en carbono puede serlo. Pero puede encontrar estructuras de carbono que tendrán una dureza cercana al diamante. Las estructuras de carbono que tienen una dureza cercana al diamante tienen derecho a existir. Y uno de ellos es el que les mostré antes, con canales de 5 y 7 miembros. Dubrovinsky en 2001, se propuso en la literatura una sustancia ultra sólida, el dióxido de titanio; se creía que en términos de dureza no era muy inferior al diamante, pero había dudas. El experimento fue lo suficientemente controvertido. Casi todas las mediciones 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, uno puede incluso juzgar qué experimento es confiable y cuál no, tanto 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 los investigadores estadounidenses realizaron un experimento de este tipo: tomaron grafito y lo comprimieron a una presión de aproximadamente 150-200 mil atmósferas. Si el grafito se comprime a altas temperaturas, debe transformarse en diamante, la forma más estable de carbono a altas presiones; así es como se sintetiza el diamante. Si realiza este experimento a temperatura ambiente, no se puede formar el diamante. ¿Por qué? Debido a que la reordenación 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 que se debe superar es demasiado grande. Y en lugar de la formación de diamantes, observaremos la formación de alguna otra estructura, no la más estable, sino 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 "Muglerod-Shmuglerod". Resultó que esta estructura describe completamente los resultados de ese experimento de 50 años, y el experimento se repitió muchas veces. La experiencia, por cierto, es muy hermosa: al comprimir grafito (un semi-metal opaco suave negro) 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 son consistentes con las del diamante, y nuestra estructura hipotética describió luego completamente las propiedades de esta sustancia. Estábamos tremendamente felices, 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 que era completamente diferente a ella, esta, con anillos de 4 y 8 miembros. Esta estructura es completamente diferente a la nuestra, pero describe casi también los datos experimentales. El problema es que los datos experimentales eran de baja resolución y muchas otras estructuras eran adecuadas para ellos. Pasaron otros seis meses, un chino llamado Wang sugirió W-carbon, y W-carbon también explicó los datos experimentales. Pronto la historia se volvió grotesca: nuevos grupos chinos se unieron a ella, y a los chinos les encanta producir, y sellaron alrededor de 40 estructuras, y todas se ajustan a los datos experimentales: P-, Q-, R-, S-carbon, Q-carbon , X-, Y-, Z-carbon, M10-carbon es conocido, X'-carbon, y así sucesivamente - ya falta el alfabeto. Entonces, ¿quién tiene razón? En términos generales, nuestro M-carbono inicialmente tenía exactamente la misma cantidad de derechos para reclamar tener la razón que todos los demás.

Un comentario de la audiencia: Todo el mundo tiene razón.

Artem Oganov:¡Esto tampoco sucede! 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, se puede 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 intentó durante 50 años y nadie tuvo éxito, todos los resultados fueron de mala calidad. Puedes hacer un cálculo. Y en el cálculo, se podrían 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 intente, todavía habrá algunos chinos que dirán: pero tengo una estructura más, y las contará para el resto de su barreras de activación de la vida hasta que te envíen a un merecido descanso. Ésta 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 tienen lugar en todo el cristal, sino primero en un pequeño fragmento: el embrión, y luego se propaga al embrión y más. Y modelar este embrión es una tarea extremadamente difícil. Pero encontramos tal método, un método que había sido desarrollado anteriormente por científicos austriacos y estadounidenses, y lo adaptamos a nuestra tarea. Logramos modificar este método para que de un solo golpe pudiéramos resolver este problema de una vez por todas. Establecemos el problema de la siguiente manera: si comienza con grafito, el estado inicial se especifica rígidamente y el estado final se da vagamente: cualquier forma de carbono tetraédrica con hibridación sp3 (y estos son los estados que esperamos bajo presión), que de las barreras será el mínimo? Este método es capaz de 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. Comenzamos el cálculo con la ruta de la transformación grafito-diamante como "semilla", sabemos que esta transformación no se observa en el experimento, pero nos interesaba qué haría el cálculo con esta transformación. Esperamos un poco (de hecho, este cálculo tomó seis meses en una supercomputadora) y, en lugar de un diamante, el cálculo nos dio M-carbono.

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

Mencionaré una transformación alquímica más. Bajo presión, se espera que todas las sustancias se conviertan en metal, tarde o temprano cualquier sustancia se convertirá en metal. ¿Y qué pasará con la sustancia, que ya es 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 el caso límite de un buen metal. ¿Qué sucede si se exprime el sodio? Resulta que el sodio dejará de ser 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 aumentara aún más, se volvería incoloro, como un 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 un 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 creemos, es demasiado exótico. Encontramos un experimentador, Mikhail Eremts, que estaba listo para probar esta predicción, y aquí está el resultado. A 110 Gigapascal, eso es 1,1 millones de atmósferas, sigue siendo un metal plateado, a 1,5 millones de atmósferas, es un metal malo, negro como el carbón. A 2 millones de atmósferas, es un no metálico transparente y rojizo. Y ya con este experimento, publicamos muy fácilmente nuestros resultados. Este, por cierto, es un estado bastante exótico de la materia, porque los electrones ya no están manchados en el espacio (como en los metales) y no están localizados en átomos o enlaces (como en las sustancias iónicas y covalentes): electrones de valencia, lo que aseguró metalicidad al sodio, están atrapados en espacios vacíos, donde no hay átomos, y están muy localizados. Tal sustancia se puede llamar electrida, es decir, sal, donde el papel de los iones cargados negativamente, los aniones, no lo desempeñan los átomos (por ejemplo, flúor, cloro, oxígeno), sino grupos de densidad de electrones, y nuestra forma de sodio es el ejemplo más simple y sorprendente de un electruro conocido.

Puede utilizar este tipo de cálculos y comprender la sustancia del interior de la Tierra y del planeta. Aprendemos sobre el estado del interior de la tierra principalmente a partir de datos indirectos, de datos sismológicos. Sabemos que hay un núcleo metálico, que consiste principalmente en hierro, el núcleo de la Tierra, y una capa no metálica, que consiste en silicatos de magnesio, llamada manto, y en la misma superficie hay una fina corteza terrestre en la que vivimos. y que sabemos muy bien. Y el interior de la Tierra nos es casi completamente desconocido. Mediante pruebas directas, podemos estudiar solo la superficie misma de la Tierra. El pozo más profundo es el superprofundo de Kola, su profundidad es de 12,3 kilómetros, perforado en la URSS, nadie pudo perforar más. Los estadounidenses intentaron perforar, fracasaron en este proyecto y lo detuvieron. Invirtieron enormes sumas en la URSS, perforaron hasta 12 kilómetros, luego ocurrió la perestroika y el proyecto se congeló. Pero el radio de la Tierra es 500 veces mayor, e incluso el pozo superprofundo de Kola perforó solo la superficie misma del planeta. Pero la sustancia de las profundidades de la Tierra determina la faz de la Tierra: terremotos, vulcanismo, deriva continental. Se forma un campo magnético 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 caramelo de chocolate con chocolate fundido y por dentro hay una nuez; así es como se puede imaginar el núcleo de la Tierra. La convección del manto sólido de la Tierra es muy lenta, su velocidad es del orden de 1 centímetro por año; las corrientes más calientes suben, las más frías 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 de modelos sismológicos, pero estos modelos no dan temperatura. La temperatura se define de la siguiente manera: sabemos que el núcleo interno es sólido, el núcleo externo es líquido y que el núcleo está hecho de hierro. Por lo tanto, si conoce el punto de fusión del hierro a esa profundidad, entonces conoce la temperatura del núcleo a esa profundidad. Se hicieron experimentos, pero dieron una incertidumbre de 2 mil grados, se hicieron cálculos y los cálculos pusieron fin a esta pregunta. El punto de fusión del hierro en el borde del núcleo interno y externo era de aproximadamente 6,4 mil 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 hierro puro, sino que contiene varias impurezas. Todavía no sabemos exactamente cuáles, pero entre los candidatos se encuentran el oxígeno, el silicio, el azufre, el carbono, el hidrógeno. Variando diferentes impurezas, comparando sus efectos, fue posible entender que la temperatura de fusión debería reducirse en unos 800 grados. 5600 grados Kelvin es una temperatura en el límite de los núcleos interior y exterior de la Tierra, y esta estimación es actualmente aceptada de forma generalizada. Este efecto de bajar la temperatura de las impurezas, la bajada eutéctica del punto de fusión, es bien conocido, gracias a este efecto, nuestros zapatos sufren en invierno - las carreteras se salpican con sal para bajar el punto de fusión de la nieve, y gracias a esta nieve sólida, el hielo se vuelve 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, hay bismuto, plomo, estaño y cadmio, cada uno de estos metales tiene un punto de fusión relativamente alto, pero el efecto de la disminución mutua de el punto de fusión funciona tanto 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 mientras sostengo la aleación de Wood, y verá las gotas de la aleación de Wood caer en el vaso.

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

Y este efecto se produce 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 algunos elementos ligeros de impureza, tenemos 5 candidatos. Comenzamos con los candidatos menos probables: carbono e hidrógeno. Debo decir que hasta hace poco poca gente prestaba atención a estos candidatos, ambos se consideraban poco probables. Decidimos comprobarlo. Con un empleado de la Universidad Estatal de Moscú, Zulfiya Bazhanova, decidimos abordar este negocio, predecir estructuras estables y composiciones estables de carburos e hidruros de hierro en las condiciones del núcleo de la Tierra. También hicimos esto para el silicio, donde no encontramos ninguna sorpresa especial, y para el carbono, resultó que aquellos compuestos que se consideraron estables durante muchas décadas son de hecho inestables a las presiones del núcleo de la Tierra. Y resulta que el carbono es un muy buen candidato, de hecho, el carbono solo puede explicar idealmente muchas de las propiedades del núcleo interno de la Tierra, al contrario de trabajos anteriores. El hidrógeno resultó ser un candidato bastante malo, el hidrógeno por sí solo no puede explicar ninguna propiedad del núcleo de la Tierra. 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 a presión, también encontramos una sorpresa: resultó que hay un compuesto estable con una fórmula que contradice la química escolar. Un químico normal escribirá la fórmula de los hidruros de hidrógeno como FeH 2 y FeH 3, en términos generales, el FeH también aparece bajo presión, y lo toleraron, pero el hecho de que el FeH 4 pueda aparecer bajo presión fue una verdadera sorpresa. Si nuestros niños en la escuela escriben la fórmula FeH 4, les garantizo que obtendrán una A en química, lo más probable es que incluso en un cuarto. 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 propiedades muy extrañas. Una de las propiedades fue la anisotropía de propagación de ondas sísmicas, ondas sonoras: en la dirección vertical y en la dirección horizontal, las velocidades difieren significativamente. ¿Por qué esto es tan? Durante mucho tiempo no fue posible comprender. Resulta que se forma una nueva estructura de silicato de magnesio en la capa en el límite entre el 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 demostraron 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 fueron descubiertas y causaron problemas durante muchos, muchos años. Incluso lograron hacer varias predicciones.

En particular, en planetas más pequeños como Mercurio y Marte, no habrá capa como D ”. No habrá 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, pero 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.

Un comentario de la audiencia: Gracias a un 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.

Un comentario de la audiencia: Entonces, 100 años de este algoritmo genético, eso simplemente no lo hizo.

Artem Oganov: Este algoritmo fue creado por mi estudiante de posgrado y yo en 2006. Por cierto, es incorrecto llamarlo "genético", un nombre más correcto es "evolución". 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, un área enorme de matemáticas aplicadas, y para cada nuevo tipo de problema se debe inventar un nuevo enfoque.

Un comentario de la audiencia:¿Qué son las matemáticas? La genética lo es.

Artem Oganov: Esto no es genética, son matemáticas. Y para cada nueva tarea, debe inventar su nuevo algoritmo desde cero. Y los seres humanos han intentado antes que nosotros inventar algoritmos evolutivos 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 tanto tiempo como yo, desde al menos 1975, tomó mucho esfuerzo predecir las estructuras cristalinas para crear un método de trabajo.

Todos estos ejemplos que les he dado muestran cómo la comprensión de la estructura de la materia y la capacidad de predecir la estructura de la materia llevan al diseño de nuevos materiales que pueden tener interesantes propiedades ópticas, propiedades mecánicas, propiedades electrónicas. Materiales que forman las entrañas de la Tierra y otros planetas. En este caso, puede resolver una amplia gama de problemas interesantes en una computadora utilizando estos métodos. Mis colegas 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. Todas estas personas y organizadores de esta conferencia, y usted, por su atención, permítanme agradecerles sinceramente.

Discusión de la conferencia

Boris Dolgin:¡Muchas gracias! Muchas gracias Artyom, 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 aparecerá nuevo material para su conferencia con nosotros, aquí, porque debo decir que algo de lo que se escuchó hoy en realidad no existía en el momento de las conferencias anteriores, por lo que tiene sentido.

Pregunta de la audiencia: Por favor, dígame cómo garantizar la temperatura ambiente a una presión tan alta. Cualquier sistema de deformación plástica va acompañado de liberación de calor. Desafortunadamente, no mencionaste esto.

Artem Oganov: El caso es que todo depende de la rapidez con la que comprima. Si la compresión se lleva a cabo muy rápidamente, por ejemplo, en ondas de choque, entonces necesariamente va acompañada de calentamiento, una compresión brusca necesariamente conduce a un aumento de la temperatura. Si lo comprime lentamente, la muestra tiene tiempo suficiente para intercambiar calor con su entorno y entrar en equilibrio térmico con su entorno.

Pregunta de la audiencia:¿Y su instalación le permitió hacer esto?

Artem Oganov: El experimento no fue realizado por mí, solo hice cálculos y teoría. No me confieso al experimento por censura interna. Y el experimento se llevó a cabo en cámaras con yunques de diamantes, donde se aprieta 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.

1. 1. Diseño informático 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 ni la tierra, ni los campos, ni las partículas de polvo iniciales del universo” (Proverbios 8:26) (también - Epicuro, Lucretius Car, indios antiguos, ...) En 1611, I. Kepler sugirió que la estructura de la forma de hielo 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 “La cristalografía ... es improductiva, existe solo para sí misma, no tiene consecuencias ... no es realmente necesario en cualquier lugar, se desarrolló dentro de ti. Le da a la mente una satisfacción limitada, y sus detalles son tan variados que puede llamarse inagotable; por eso enlaza hasta a las mejores personas con tanta tenacidad y durante tanto tiempo "(IV Goethe, cristalógrafo aficionado, 1749-1832) Ludwig Boltzmann (1844-1906), el gran físico austriaco que construyó todas sus teorías sobre los conceptos de átomos. Las críticas al atomismo lo llevaron a suicidarse en 1906. En 1912, la hipótesis de la estructura atómica de la materia fue probada por los experimentos de Max von Laue.
4. 4. Estructura: la base para comprender las propiedades y el comportamiento de los materiales (de http://nobelprize.org) Zinc blende ZnS. Una de las primeras estructuras resueltas por 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. Relación entre estructura y patrón de difracción ¿Cuáles serán los patrones de difracción de estas "estructuras"?
7. 7. Triunfos del experimento - determinación de estructuras cristalinas increíblemente complejas Fases inapropiadas Cuasicristales de elementos Proteínas (Rb-IV, U.Schwarz'99) Un nuevo estado de la materia, descubierto en 1982. ¡Encontrado en la naturaleza solo 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 una sustancia. Conociéndolo, se pueden predecir las propiedades del material y su estructura electrónica Teoría Exp. C11 493482 C22 546537 C33 470485 C12 142144 C13 146147 C23 160146 C44 212204 C55 186186 Constantes elásticas de perovskita MgSiO3 C66 149147
10. 10. Varias historias 4. Materiales del interior de la tierra 3. Materiales de la computadora 2. ¿Es posible predecir el cristalino1. Sobre la relación entre estructura, estructura y propiedades
11. 11. Por qué el hielo es más liviano que el agua La estructura del hielo contiene grandes canales vacíos que no están presentes en el agua líquida. Debido a estos canales vacíos, el hielo es más liviano que el hielo.
12. 12. Hidratos de gas (clatratos): hielo lleno de moléculas huéspedes (metano, dióxido de carbono, cloro, xenón, etc.) Número de publicaciones sobre clatratos Enormes depósitos de hidrato de metano: ¿la esperanza y la salvación del sector energético? 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 con la liberación de agua. Hidrato de CO2: ¿una forma de almacenamiento de dióxido de carbono? El mecanismo de la anestesia con xenón es la formación de hidrato de He, que bloquea la transmisión de señales neuronales al cerebro (Pauling, 1951).
13. 13. Materiales microporosos para la industria química y limpieza ambiental Las zeolitas son aluminosilicatos microporosos. industria Ejemplos históricos de intoxicación por metales pesados: Qin Shi Huangdi Iván IV el Terrible "Enfermedad Nerón (37-68) Plomo (259-210 a. C.) (1530-1584) Envenenamiento loco: sombrerero" agresión, demencia
14. 14. Superconductores nuevos y viejos El fenómeno fue descubierto por Kamerling-Onnes en 1911. La teoría de la superconductividad es de 1957 (Bardeen, Cooper, Schrieffer), pero no existe una teoría de los superconductores de temperatura más alta (Bednorz, Muller, 1986). Los imanes más potentes (resonancia magnética, espectrómetros de masas, aceleradores de partículas) Trenes con levitación magnética (430 km / h)
15. 15. Sorpresa: formas de impureza superconductora 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 molécula Estructura y apariencia de los cristales de fullerita C60 de fullereno La superconductividad en los cristales orgánicos se conoce desde 1979 (Bechgaard, 1979).
16. 16. Cómo los materiales pueden salvar o destruir A bajas temperaturas, el estaño sufre una transición de fase - "plaga de estaño". 1812: según la leyenda, la expedición de Napoleón a Rusia murió a causa de los botones de hojalata de 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: Shunts, aparatos dentales, elementos de oleoductos y motores de aviones.
18. 18. Maravillas de las propiedades ópticas Pleocroísmo (cordierita): el descubrimiento de América y la navegación de la Fuerza Aérea de los EE. UU. Birrefringencia de la luz (calcita) Efecto de alejandrita (crisoberilo) Recipiente de licurgo (vidrio con nanopartículas)
19. 19. Acerca de la naturaleza del color Longitud de onda, Å Color Color adicional 4100 Violeta Amarillo limón 4300 Amarillo índigo 4800 Azul Naranja 5000 Azul verdoso Rojo 5300 Verde Morado 5600 Amarillo limón Violeta 5800 Amarillo índigo 6100 Naranja Azul 6800 Rojo Azul verdoso
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. Acc. Chem. Res. 44, 227-237.
22. 22. J. Maddox (Nature, 1988) La tarea es encontrar el mínimo GLOBAL de Natoms of Variants Time de energía. 1 1 1 seg. Es imposible iterar sobre todas las estructuras: 10 1011 103 años. 20 1025 1017 años 30 1039 1031 años Revisión del método USPEX (ARO & Glass, J. Chem. Phys. 2006)
23. 23. ¿Cómo encontrar el monte Everest con la ayuda de la evolución del canguro? (imagen de R. Clegg) Aterrizamos un aterrizaje de canguros y dejamos que se reproduzcan (no se muestra por razones de censura) .....
24. 24. ¿Cómo encontrar el monte Everest con la ayuda de la evolución del canguro? (imagen de R. Clegg) ¡Aaaargh! Ay ... y de vez en cuando vienen cazadores y sacan canguros en altitudes más bajas.
25. 25.
26. 26. Los cálculos evolutivos se "autoaprenden" y centran la búsqueda en las áreas más interesantes del espacio.
27. 27. Los cálculos evolutivos se "autoaprenden" y centran la búsqueda en las áreas más interesantes del espacio
28. 28. Los cálculos evolutivos se "autoaprenden" y centran la búsqueda en las áreas más interesantes del espacio.
29. 29. Los cálculos evolutivos se "autoaprenden" y centran la búsqueda en las áreas más interesantes del espacio
30. 30. Métodos alternativos: búsqueda aleatoria (Freeman & Catlow, 1992; van Eijck & Kroon, 2000; Pickard & Needs, 2006) Sin "aprendizaje", solo funciona para sistemas simples (hasta 10-12 átomos). Recocido artificial (Pannetier 1990; Schön & Jansen 1996) Sin metadinámica de “aprendizaje” (Martonak, Laio, Parrinello 2003) Búsqueda tabú en espacios reducidos Saltos mínimos (Gödecker 2004) Utiliza el historial de cálculo y el “autoaprendizaje”. Algoritmos genéticos y evolutivos Bush (1995), Woodley (1999) - método ineficaz para cristales. Deaven & Ho (1995) es un método eficaz para nanopartículas.
31. 31. USPEX (Universal Structure Predictor: Evolutionary Xtallography) (aleatorio) población inicial Nueva generación de estructuras producidas solo a partir de las mejores estructuras actuales (1) Herencia (3) Coordinada (2) Mutación de celosía mutación (4) Permutación
32. 32. Técnicas adicionales - el parámetro de orden "Huella digital" de la estructura El nacimiento del orden a partir del caos en el proceso evolutivo ["DIOS = Generador de diversidad" © S. Avetisyan] Orden local - indica áreas defectuosas
33. 33. Prueba: "¿Quién adivinaría que el grafito es el alótropo estable del carbono a presión ordinaria?" (Maddox, 1988) Estructura tridimensional sp2 propuesta por R. Hoffmann (1983) como una fase estable a 1 atm. Estructuras con baja hibridación de energía sp3 ilustrar la hibridación sp2 química del carbono hibridación sp (carbino)
34. Prueba: Las fases de alta presión también se reproducen correctamente 100 GPa: el diamante es estable 2000 GPa: la fase bc8 es estable + la fase metaestable que explica la fase metaestable bc8 del silicio se conoce el “grafito superduro” (Kasper, 1964) (Li, ARO, Ma, et al., PRL 2009)
35. 35. Descubrimientos hechos con USPEX:
36. 36. 3. Materiales de la computadora
37. 37. Descubrimiento de nuevos materiales: todavía un método experimental de prueba y error "No sufrí (diez mil) fallas, solo descubrí 10,000 métodos que no funcionaban" (T.A. Edison)
38. 38. Búsqueda de la sustancia más densa: ¿son posibles las modificaciones de carbono más densas que el diamante? Sí Estructura de diamante El diamante tiene el volumen atómico más pequeño y la incompresibilidad más alta entre todas las estructuras, elementos (y compuestos) nuevos. ¡Más denso que el diamante! (Zhu, ARO, et al., 2011)
39. 39. La analogía entre las formas de carbono y sílice (SiO2) nos 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 diamante de dispersión ligera hP3 estructura tP12 estructura tI12 estructura SiO2 cristobalita SiO2 cuarzo SiO2 kitite alta presión fase SiS2
40. 40.
41. 41. ¿El óxido más duro, el TiO2? (Dubrovinsky et al., Nature 410, 653-654 (2001)) Nishio-Hamane (2010) y Al-Khatatbeh (2009): módulo de compresión ~ 300 GPa, no 431 GPa. Lyakhov y ARO (2011): ¡Los experimentos de presión son muy difíciles! ¡Dureza no superior a 16 GPa! El TiO2 es más suave que el SiO2 de la estishovita (33 GPa), B6O (45 GPa), Al2O3 del corindón (21 GPa).
42. 42. ¿Son posibles formas de carbono más duras que el diamante? No . Modelo de material Li Lyakhov Exp. Dureza, entalpía, et al. & ARO Estructura GPa eV / átomo (2009) (2011) Diamante 89,7 0,000 Diamante 91,2 89,7 90 Lonsdaleita 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 I4 / mmm 84,0 0,198 β-Si3N4 23,4 23,4 21 Cmcm 83,5 0,282 SiO2 estishovita 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 la hibridación sp3 Cálculo evolutivo
43. 43. ¡La compresión en frío del grafito produce carbono M, no diamante! El carbono M se propuso en 2006. En 2010-2012. Se han propuesto docenas de estructuras alternativas (W-, R-, S-, Q-, X-, Y-, Z-carbono, etc.) El carbono M es confirmado por los últimos experimentos El carbono M 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 diamante-grafito lonsdaleita Diagrama de fase teórico de las carabinas de carbono M-carbono fullerenos
45. 45. Sustancia bajo presión en la naturaleza P.W. Bridgman 1946 Premio Nobel (Física) 200x Escala: 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. Caída de diamantes: ¿la principal fuente de calor en Neptuno? La teoría (Ancilotto'97; Gao '2010) lo confirma. Diamante de hidrocarburos de metano
47. 47. El boro se encuentra entre metales y 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 controversias y giros detectivescos. B 1808: J.L. Gay-Lussac y H. Davy anunciaron el descubrimiento de un nuevo elemento: el boro. J.L. Gay-Lussac H. Davy 1895: H. Moissan demostró que las sustancias que descubrieron no contienen más del 50-60% de boro. Sin embargo, el material de Moissan también resultó ser un compuesto con un contenido de boro de menos del 90%. H. Moissan 1858: F. Wöhler describió 3 modificaciones del boro: "diamante", "grafito" y "similar al carbono". Los tres resultaron ser compuestos (por ejemplo, AlB12 y B48C2Al). 2007: se publicaron ~ 16 modificaciones cristalinas (¿la mayoría de ellas son compuestos?). No se sabe qué forma es la más estable. F. Wöhler
49. 49. ¡El boro forma una estructura parcialmente iónica bajo presión! B 2004: Chen y Solozhenko: sintetizaron una nueva modificación de boro, pero no pudieron resolver su estructura. 2006: Oganov: definió 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 la más (izquierda) y la menos (derecha) estable electrones.
50. 50. El primer diagrama de fases del boro, ¡después de 200 años de investigación! B Diagrama de fase del 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: El sodio es descubierto por Humphrey Davy. 2002: Hanfland, Syassen y col. - el primer indicio de una química extremadamente difícil H. Davy sodio bajo presión superior a 1 Mbar. Gregoriants (2008) - datos más detallados. ¡Bajo presión, el sodio se convierte parcialmente en d-metal!
53. 53. ¡Hemos predicho una nueva estructura que es un no metálico 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 hace que el sodio comprimido no sea un metal
54. El estudio de los minerales no es solo un placer estético, sino también una dirección científica de importancia práctica y fundamental Efecto de la reducción del punto de fusión de las impurezas Aleación de madera: se funde a 70 C. ¡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]. El porcentaje de carbono en el núcleo interno necesario para explicar su densidad.
56. 65. La naturaleza de la capa D "(2700-2890 km) ha sido un misterio durante mucho tiempo. D" es la raíz de los flujos del manto caliente. Se espera que el MgSiO3 sea de ~ 75% en volumen. Extrañeza de la capa D ": ruptura sísmica , anisotropía ¡Recuerde la anisotropía del color de la cordierita!
57. 66. La respuesta es la existencia de un nuevo mineral, MgSiO3 post-perovskita en la capa D "(2700-2890 km) Diagrama de fase D" ruptura de MgSiO3 Explica la existencia de la capa D ", permite calcular su temperatura. Perovskita como el La Tierra se enfría D “está ausente en Mercurio y Marte Nueva familia de minerales predicha Confirmación - Tschauner (2008)
58. 67. La estructura de la materia es la clave para comprender 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 propiedades
59. 68. Agradecimientos: Mis alumnos, estudiantes de posgrado y posdoctorados: A. Lyakhov Y. Ma S.E. Boulfelfel C.W. Glass Q. Zhu Y. Xie Colegas de otros laboratorios: F. Zhang (Perth, Australia) C. Gatti (U. Milán, Italia) G. Gao (Universidad de Jilin, China) A. Bergara (U. País Vasco, España) I. Errea (U. País Vasco, España) M. Martinez-Canales (UCL, Reino Unido) C. Hu (Guilin, China) M. Salvado & P. ​​Pertierra (Oviedo, España) VL Solozhenko (París) D.Yu. Pushcharovsky, V.V. Usuarios del programa USPEX de Brazhkin (Moscú) (> 1000 personas) - http://han.ess.sunysb.edu/~USPEX

La esencia de la búsqueda de la estructura más estable se reduce a calcular el 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 utilizando cálculos de mecánica cuántica basados ​​en la ecuación simplificada de Schrödinger. Entonces 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 hace posible reemplazar la función de onda de muchos electrones con una densidad de electrones, sin dejar de ser formalmente precisa (pero de hecho las aproximaciones resultan ser inevitables). En la práctica, esto conduce a una disminución de la complejidad de los cálculos y, como consecuencia, del tiempo que se dedicará a ellos. Por lo tanto, los cálculos de la mecánica cuántica se combinan con el algoritmo evolutivo en USPEX (Fig. 2). ¿Cómo funciona el algoritmo evolutivo?

La búsqueda de estructuras con la energía más baja se puede enumerar: 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, las posibilidades de su ubicación entre sí serán de aproximadamente 100 mil millones), el cálculo llevaría demasiado tiempo. Por lo tanto, los científicos lograron lograr el éxito solo después de desarrollar un método más astuto. El algoritmo USPEX se basa en un enfoque evolutivo (Figura 2). Primero, se genera aleatoriamente una pequeña cantidad de estructuras y se calcula su energía. El sistema elimina las variantes con mayor energía, es decir, las menos estables, y genera similares a partir de las más estables y las calcula ya. Simultáneamente, la computadora continúa generando aleatoriamente nuevas estructuras para mantener la diversidad de la población, que 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 este sistema contiene un gen, porque las nuevas estructuras pueden diferir de sus predecesoras en parámetros muy diferentes. Los más adaptados a las condiciones de selección "individuos" dejan descendencia, es decir, el algoritmo, aprendiendo de sus errores, maximiza las posibilidades de éxito en el próximo intento. El sistema encuentra rápidamente la opción con la energía más baja y calcula de manera eficiente la situación cuando la unidad estructural (celda) contiene decenas e incluso los primeros cientos de átomos, mientras que los algoritmos anteriores no podían hacer frente a diez.

Uno de los nuevos desafíos que enfrenta la USPEX en el Instituto de Física y Tecnología de Moscú es predecir la estructura terciaria de las proteínas a partir de su secuencia de aminoácidos. Este problema de la biología molecular moderna es uno de los principales. En general, la tarea que tienen ante sí los científicos también es muy difícil porque es difícil calcular la energía para una molécula tan compleja como la proteína. Según Artem Oganov, su algoritmo ya logra predecir la estructura de péptidos con una longitud de unos 40 aminoácidos.

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

Explicación de USPEX

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

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

Figura 3. Artem Romaevich Oganov

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

¿Cómo estimar el error con el que funciona USPEX? Puede tomar un problema con una respuesta correcta conocida 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 40.

El algoritmo evolutivo de USPEX ha llevado a muchos descubrimientos interesantes e incluso al desarrollo de una nueva forma de dosificación de un medicamento, que se discutirá a continuación. Me pregunto qué pasará cuando aparezcan las supercomputadoras de nueva generación. ¿Cambiará fundamentalmente el algoritmo de predicción de la estructura cristalina? Por ejemplo, algunos científicos están desarrollando computadoras cuánticas. En el futuro, serán mucho más efectivos 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 de laboratorio: de la termoeléctrica a las drogas

USPEX resultó ser un algoritmo que no solo es efectivo, sino también multifuncional. En este momento, bajo el liderazgo de Artem Oganov, se están llevando a cabo muchos trabajos científicos en varias direcciones. 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 dimensión como nanopartículas, superficies de materiales, Otro es el estudio de productos químicos a alta presión. También hay un proyecto interesante relacionado con la predicción de nuevos materiales termoeléctricos. Ahora ya sabemos que la adaptación del método de predicción de estructuras cristalinas, que hemos inventado, a los problemas de la termoelectricidad funciona eficazmente. Por el momento, ya estamos preparados para un gran salto, cuyo resultado debería ser el descubrimiento de nuevos materiales termoeléctricos. Ya está claro que el método que hemos creado para termoeléctricas es muy potente, las pruebas realizadas son un éxito. Y estamos totalmente preparados para buscar nuevos materiales propiamente dichos. También participamos en la predicción y el estudio de nuevos superconductores de alta temperatura. Hacemos la pregunta de predecir la estructura de las proteínas. Es una tarea nueva para nosotros y muy interesante ”.

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

Estamos hablando de un medicamento patentado recientemente por empleados del laboratorio de diseño asistido por computadora de materiales Valery Royzen (Fig. 4), Anastasia Naumova y Artem Oganov, 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 cuando el propio sistema inmunológico del huésped daña al huésped. En este caso, se 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 las excrecencias de las células nerviosas cubiertas de mielina se lleva a cabo de 5 a 10 veces más rápido que a través de las descubiertas. Por tanto, la esclerosis múltiple provoca alteraciones en el funcionamiento del sistema nervioso.

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

Figura 4. Valery Royzen, uno de los autores de la patente de un fármaco para la esclerosis múltiple, un empleado del laboratorio de diseño de materiales asistido por computadora, que desarrolla nuevas formas de dosificación de medicamentos y promueve activamente la ciencia.

Video 3. Conferencia de divulgación científica a cargo de Valery Roysen "Cristales sabrosos". Aprenderá sobre los principios de funcionamiento de las drogas, la importancia de la forma de administración de las drogas al cuerpo humano y sobre el malvado hermano gemelo de la aspirina.

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

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, desde dieléctricos superduros hasta semiconductores blandos e incluso superconductores. Los primeros incluyen diamante y lonsdaleita, el último, grafito y el tercero, algunos fullerenos a bajas temperaturas. A pesar de la amplia 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). A la obra asistieron, entre otras cosas, los empleados del laboratorio de diseño de materiales asistido por ordenador (Fig. 7).

Figura 7. Oleg Feya, estudiante de posgrado en el Instituto de Física y Tecnología de Moscú, empleado del laboratorio de diseño de materiales asistido por computadora y uno de los autores del descubrimiento de una nueva estructura de carbono. En su tiempo libre, Oleg se dedica a la popularización de la ciencia: sus artículos se pueden leer en las publicaciones "El gato de Schrödinger", "For Science", STRF.ru, "Strana Rosatom". Además, Oleg es el ganador del Moscú Science Slam y participante en el programa de televisión "The Smartest".

La interacción "huésped-huésped" se manifiesta, por ejemplo, en complejos formados por moléculas que están conectadas entre sí por enlaces no covalentes. Es decir, cierto átomo / molécula ocupa cierto lugar en la red cristalina, pero al mismo tiempo no forma un enlace covalente con los compuestos circundantes. Este comportamiento está muy extendido entre las moléculas biológicas que se unen entre sí, formando complejos fuertes y grandes que realizan diversas funciones en nuestro organismo. En general, se refiere a un compuesto que consta de 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 de las propiedades y el comportamiento del grupo 14 de elementos químicos en su conjunto (Fig. 8). Cabe señalar que en la forma abierta del carbono se forman enlaces covalentes entre átomos. Estamos hablando del tipo de huésped-huésped debido a la presencia de dos tipos distintos de átomos de carbono, que tienen entornos estructurales completamente diferentes.

Nueva química a alta presión

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

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

“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 esto es muy interesante! Parece un parque de atracciones: hay un fenómeno que nadie puede explicar; explorar un nuevo fenómeno y tratar de entender por qué sucede es muy interesante. Comenzamos nuestra conversación con cosas fundamentales. Pero también existen altas presiones en el mundo real. Por supuesto, no en esta sala, 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 e intentar comprender por qué sucede. Partimos del punto de vista fundamental. Pero existen estas altas presiones. No en esta habitación, por supuesto, sino en el interior de la Tierra y en otros planetas.

Figura 9. Ácido carbónico (H 2 CO 3) - estructura estable bajo presión. En el inserto de arriba se demuestra que a lo largo Eje C se forman estructuras poliméricas. Estudiar el sistema carbono-oxígeno-hidrógeno a altas presiones es muy importante para comprender cómo funcionan los planetas. H 2 O (agua) y CH 4 (metano) son los componentes principales de algunos planetas gigantes, como Neptuno y Urano, donde las presiones pueden alcanzar cientos de GPa. Los grandes satélites de hielo (Ganimedes, Calisto, Titán) y los cometas también contienen agua, metano y dióxido de carbono, que están sujetos a presiones de hasta varios GPa.

Gabriele nos contó sobre su nuevo trabajo, que recientemente ha sido aceptado para publicación:

“A veces haces ciencia básica, pero luego encuentras una aplicación directa del conocimiento adquirido. Por ejemplo, recientemente enviamos un artículo para su publicación que describe los resultados de búsqueda de todos los compuestos estables hechos de carbono, hidrógeno y oxígeno a alta presión. Encontramos 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 Ganimedes y Calisto [lunas de Júpiter] están compuestas de agua y dióxido de carbono: moléculas que forman ácido carbónico. Por lo tanto, nos dimos cuenta de que nuestro descubrimiento sugiere la formación de ácido carbónico allí. De esto es de lo que estaba hablando: todo comenzó con la ciencia fundamental y terminó con algo importante para el estudio de satélites y planetas ". .

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

Entonces, a veces estudias algo de ciencia fundamental, pero luego descubres que tiene una aplicación adecuada. Por ejemplo, acabamos de enviar un artículo 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 muy baja presión como un gigapascal. Investigué la literatura astrofísica y descubrí: hay satélites como Ganimedes 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 es a lo que me refiero con empezar por fundamental y descubrir algo que sea aplicable a la ciencia planetaria.

Otro ejemplo de química inusual que se puede citar se refiere a la conocida sal de mesa, NaCl. Resulta que si puede crear una presión de 350 GPa en su salero, obtendrá nuevas conexiones. En 2013, bajo el liderazgo de A.R. Oganov demostró que si aplica alta presión al NaCl, los compuestos inusuales se volverán estables, por ejemplo, NaCl 7 (Fig. 10) y Na 3 Cl. Curiosamente, muchas de las sustancias descubiertas son metales. Gabriele Salekh y Artem Oganov continuaron su trabajo pionero en el que mostraron el comportamiento exótico de los cloruros de sodio a 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 obedecen estas sustancias en condiciones tan inusuales. Utilizando el algoritmo USPEX, varios compuestos con la fórmula A 3 Y (A = Li, Na, K; Y = F, Cl, Br) teóricamente se sometieron a presiones de hasta 350 GPa. Esto condujo al descubrimiento de iones cloruro en estado oxidado -2. La química "estándar" lo prohíbe. 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 NaCl ( izquierda) y el inusual compuesto NaCl 7 ( a la derecha) estable bajo presión.

La química necesita nuevas reglas

Gabriele Saleh (Fig. 11) habló sobre su investigación dirigida a describir nuevas reglas de la química que tendrían poder predictivo no solo en condiciones estándar, sino que describirían el comportamiento y propiedades de sustancias a 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 a alta presión no es tan simple: el sodio y el cloro pueden formar otros compuestos. Pero nadie supo por qué. Los científicos realizaron cálculos, recibieron resultados, pero se desconoce por qué todo sucede de esta manera y no de otra manera. Desde la escuela de posgrado, he estado estudiando enlaces químicos 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 la composición de tales compuestos y llegué a las leyes generales características de ellos bajo alta presión. Para comprobar si estas reglas son producto de mi imaginación o si todavía son objetivamente correctas, predije las estructuras de compuestos similares: LiBr o NaBr y varios más similares. De hecho, se siguen las reglas generales. En resumen, vi que existe la siguiente tendencia: cuando se aplica presión a tales compuestos, forman una estructura metálica bidimensional y luego una 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 un libro de texto: el sodio pierde un electrón y el cloro se lo quita. Por lo tanto, los números de oxidación son +1 y -1, respectivamente. Pero no es así como funciona bajo alta presión. Hemos demostrado esto usando algunos enfoques para el análisis de enlaces químicos. Además, en el curso de mi trabajo, busqué literatura especial para entender si alguien ya había observado tales patrones. Y resultó que sí, lo hicimos. 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 siguientes artículos sobre el tema, descubriremos si nuestro modelo tiene un poder predictivo real. Porque esto es exactamente lo que buscamos. Queremos describir las leyes químicas que se observarían 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 está sucediendo esto. Entonces, como durante mi doctorado me especialicé en el estudio de los enlaces químicos, investigué estos compuestos y encontré alguna regla para racionalizar lo que está pasando. Investigué cómo se comportan los electrones en estos compuestos y se me ocurrieron algunas reglas que este tipo de compuestos seguirán a alta presión. Para comprobar si mis reglas eran solo mi imaginación o eran verdaderas, predije nuevas estructuras de compuestos similares. Por ejemplo LiBr o NaBr y algunas combinaciones como esta. Y sí, resulta que se siguen estas reglas. En resumen, para no ser muy especializado, he visto que hay una tendencia: cuando los comprimes, se forman metales bidimensionales, luego una estructura unidimensional de metal. Y luego, a muy alta presión, sucedería 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 un libro de texto: el sodio pierde electrones y el cloro lo 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 resultaron seguir estas reglas. Es solo un punto de partida, por supuesto. Aparecerán los otros artículos y veremos si este modelo tiene un poder predictivo real. Porque esto es lo que buscamos. 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 el surgimiento de una química "extraña" bajo presión.

Si experimentas, entonces selectivamente

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

“No llevamos a cabo experimentos, somos teóricos. Pero a menudo colaboramos con personas que lo hacen. De hecho, creo que en general es difícil. Hoy en día, la ciencia está muy especializada, por lo que no es fácil encontrar a alguien que se ocupe de ambos " .

No hacemos experimentos, pero a menudo colaboramos con algunas personas que hacen experimentos. De hecho, 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 el liderazgo de Artem Oganov. En el artículo, los científicos describieron una nueva forma de Na, en la que es un no metálico transparente, que se convierte en dieléctrico bajo presión. ¿Por qué sucede? Esto se debe al comportamiento de los electrones de valencia: bajo presión, se desplazan hacia los vacíos de la red cristalina formada por átomos de sodio (Fig. 13). En este caso, las propiedades metálicas de la sustancia desaparecen y aparecen las cualidades de un dieléctrico. Una presión de 2 millones de atmósferas hace que el sodio sea rojo y 3 millones de atmósferas lo vuelve incoloro.

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

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

Figura 14. Fotografías de la muestra de Na obtenida 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.

¡Necesitamos trabajar con un brillo!

Artem Oganov nos contó qué requisitos hace 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 contraté por error, lo echarán. Varios empleados que resultaron ser vagos, inertes, amorfos, simplemente los despidieron. 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 al lugar donde trabajará con fuego, con entusiasmo, con gusto. Y esto es bueno para el laboratorio y bueno para los humanos. Y esos tipos que realmente trabajan muy bien, con un brillo, así que pagamos un buen salario, van a conferencias, escriben artículos que luego se publican en las mejores revistas del mundo, estarán bien. Porque están en su lugar y porque el laboratorio tiene buenos recursos para apoyarlos. Es decir, los chicos no necesitan pensar en trabajo extra para sobrevivir. Pueden concentrarse en la ciencia, en su negocio favorito y hacerlo con éxito. Tenemos algunas subvenciones nuevas ahora, y esto nos abre la oportunidad de contratar a algunas personas más. Hay competencia todo el tiempo. La gente postula todo el año, por supuesto, no las tomo todas ".... (2016). Hidrato cristalino de 4-aminopiridina, un método para su producción, una composición farmacéutica y un método de tratamiento y / o profilaxis basado en él. Phys. Chem. Chem. Phys. 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 estructuras evolutivas USPEX. Computación. Phys. Comun. 184 , 1172–1182.