Kompiuterinių medžiagų dizaino laboratorija: ką gali duoti USPEX? Artemas Oganovas. Kompiuterinis naujų medžiagų projektavimas: svajonė ar realybė? Kompiuterinis naujų medžiagų projektavimas

Artemas Oganovas, vienas labiausiai cituojamų teorinių mineralogų pasaulyje, papasakojo apie kompiuterinį numatymą, kuris pastaruoju metu tapo įmanomas. Anksčiau šios problemos nebuvo galima išspręsti, nes naujų medžiagų kompiuterinio projektavimo problema apima kristalų struktūrų problemą, kuri buvo laikoma neišsprendžiama. Tačiau Oganovo ir jo kolegų pastangomis jiems pavyko priartėti prie šios svajonės ir paversti ją realybe.

Kodėl ši užduotis svarbi: Anksčiau naujos medžiagos buvo kuriamos labai ilgai ir įdedant daug pastangų.

Artemas Oganovas: „Eksperimentuotojai eina į laboratoriją. Įvairios medžiagos maišomos esant skirtingoms temperatūroms ir slėgiams. Gaukite naujų medžiagų. Išmatuokite jų savybes. Paprastai šios medžiagos nedomina ir yra išmetamos. Ir eksperimentuotojai vėl bando gauti šiek tiek kitokią medžiagą skirtingomis sąlygomis, šiek tiek kitokios sudėties. Ir taip žingsnis po žingsnio įveikiame daugybę nesėkmių, tam sugaišdami savo gyvenimo metus. Pasirodo, tyrėjai, tikėdamiesi gauti vieną medžiagą, praleidžia daug pastangų, laiko ir pinigų. Šis procesas gali užtrukti metus. Tai gali pasirodyti aklavietėje ir niekada neprivesti prie tinkamos medžiagos atradimo. Tačiau net kai tai veda į sėkmę, ši sėkmė kainuoja labai brangiai.

Todėl būtina sukurti tokią technologiją, kuri leistų prognozuoti be klaidų. Tai yra, ne eksperimentuoti laboratorijose, o pavesti kompiuteriui numatyti, kokia medžiaga, kokios sudėties ir temperatūros tam tikromis sąlygomis turės norimas savybes. O kompiuteris, peržvelgdamas daugybę variantų, galės atsakyti, kokia cheminė sudėtis ir kokia kristalų struktūra atitiks keliamus reikalavimus. Rezultatas gali būti toks, kad norimos medžiagos nėra. Arba jis ne vienas.
Ir čia iškyla antra problema, kurios sprendimo kol kas nėra: kaip gauti šią medžiagą? Tai yra, cheminė sudėtis, kristalų struktūra yra aiški, tačiau vis dar nėra galimybės to įgyvendinti, pavyzdžiui, pramoniniu mastu.

Numatymo technologija

Pagrindinis dalykas, kurį reikia numatyti, yra kristalų struktūra. Anksčiau šios problemos nebuvo įmanoma išspręsti, nes yra daugybė atomų išdėstymo erdvėje variantų. Tačiau didžioji dauguma jų nėra įdomūs. Svarbūs yra tie atomų išsidėstymo erdvėje variantai, kurie yra pakankamai stabilūs ir turi tyrėjui reikalingas savybes.
Kokios yra šios savybės: didelis ar mažas kietumas, elektros laidumas ir šilumos laidumas ir pan. Svarbi kristalų struktūra.

„Jei galvojate apie, tarkime, anglį, pažvelkime į deimantą ir grafitą. Chemiškai jie yra viena ir ta pati medžiaga. Tačiau savybės yra visiškai skirtingos. Juodas itin minkštas anglis ir skaidrus itin kietas deimantas – kuo jie skiriasi? Tai kristalinė struktūra. Jos dėka viena medžiaga itin kieta, kita – superminkšta. Vienas iš jų yra praktiškai metalinis laidininkas. Kitas yra dielektrinis.

Norint išmokti nuspėti naują medžiagą, pirmiausia reikia išmokti nuspėti kristalų struktūrą. Tam Oganovas ir jo kolegos 2006 m. pasiūlė evoliucinį metodą.

„Taikant šį metodą, mes nesistengiame atrinkti visos begalinės kristalų struktūrų įvairovės. Išbandysime žingsnis po žingsnio, pradėdami nuo nedidelės atsitiktinės imties, kurioje reitinguosime galimus sprendimus, kurių blogiausius atmesime. O iš geriausių gaminame dukterinius variantus. Dukteriniai variantai gaminami įvairiomis mutacijomis arba rekombinacijos būdu – pagal paveldimumą, kai iš dviejų tėvų deriname skirtingus struktūrinius kompozicijos ypatumus. Taip atsiranda vaiko struktūra – vaikiška medžiaga, vaiko cheminė sudėtis, vaiko struktūra. Tada įvertinamos ir šios dukterinės įmonės. Pavyzdžiui, dėl atsparumo arba dėl jus dominančių cheminių ar fizinių savybių. O tuos, kurie buvo įvertinti kaip nuostolingi, mes atsisakome. Tie, kurie yra perspektyvūs, įgyja teisę susilaukti palikuonių. Mes gaminame kitą kartą mutacijos ar paveldėjimo būdu.

Taigi mokslininkai žingsnis po žingsnio artėja prie medžiagos, kuri jiems yra optimali pagal tam tikrą fizinę savybę. Evoliucinis požiūris šiuo atveju veikia taip pat, kaip ir Darvino evoliucijos teorija, šį principą Oganovas ir jo kolegos įgyvendina kompiuteryje, ieškodami tam tikros savybės ar stabilumo požiūriu optimalių kristalų struktūrų.

„Taip pat galiu pasakyti (bet tai jau šiek tiek ant chuliganizmo slenksčio), kad dirbdami su šiuo metodu (beje, tobulėjimas tęsiasi. Jis vis labiau tobulėjo), eksperimentavome su įvairiais evoliucijos būdais. . Pavyzdžiui, vieną vaiką bandėme auginti ne iš dviejų tėvų, o iš trijų ar keturių. Paaiškėjo, kad, kaip ir gyvenime, optimalu iš dviejų tėvų gimdyti vieną vaiką. Vienas vaikas turi du tėvus – tėtį ir mamą. Ne trys, ne keturi, ne dvidešimt keturi. Tai yra optimalu tiek gamtoje, tiek kompiuteryje.

Oganovas užpatentavo savo metodą, o dabar jį naudoja beveik tūkstančiai tyrėjų visame pasaulyje ir kelios didžiosios kompanijos, tokios kaip „Intel“, „Toyota“ ir „Fujitsu“. Pavyzdžiui, „Toyota“, anot Oganovo, jau kurį laiką taiko šį metodą, kad išrastų naują medžiagą ličio akumuliatoriams, kurie bus naudojami hibridiniuose automobiliuose.

Deimantų problema

Manoma, kad deimantas, būdamas kietumo rekordininkas, yra optimali itin kieta medžiaga visoms reikmėms. Tačiau taip nėra, nes, pavyzdžiui, geležyje ji ištirpsta, o deguonies aplinkoje aukštoje temperatūroje dega. Apskritai, medžiagos, kuri būtų kietesnės už deimantą, paieška žmoniją jaudino daugelį dešimtmečių.

„Paprastas kompiuterinis skaičiavimas, kurį atliko mano grupė, rodo, kad tokios medžiagos negali būti. Tiesą sakant, tik deimantas gali būti kietesnis už deimantą, bet nanokristalinės formos. Kitos medžiagos negali įveikti deimanto kietumo.

Kita Oganovo grupės kryptis – naujų dielektrinių medžiagų, kurios galėtų būti pagrindas superkondensatoriams elektros energijai kaupti, taip pat tolesniam kompiuterių mikroprocesorių miniatiūrizavimui, prognozavimas.
„Ši miniatiūrizacija iš tikrųjų susiduria su kliūtimis. Kadangi esamos dielektrinės medžiagos nelabai gerai atlaiko elektros krūvius. Jie nuteka. Ir toliau miniatiūrizuoti neįmanoma. Jei galime gauti medžiagą, kuri yra laikoma ant silicio, bet tuo pat metu turi daug didesnę dielektrinę konstantą nei mūsų turimos medžiagos, galime išspręsti šią problemą. Ir šia kryptimi mes taip pat padarėme gana rimtą pažangą“.

Ir paskutinis dalykas, kurį daro Oganovas, yra naujų vaistų kūrimas, tai yra ir jų numatymas. Tai įmanoma dėl to, kad mokslininkai išmoko numatyti kristalų paviršiaus struktūrą ir cheminę sudėtį.

„Faktas tas, kad kristalo paviršius dažnai turi cheminę sudėtį, kuri skiriasi nuo paties kristalo medžiagos. Struktūra taip pat labai dažnai kardinaliai skiriasi. Ir mes nustatėme, kad paprastų, iš pažiūros inertiškų oksido kristalų (pvz., magnio oksido) paviršiuose yra labai įdomių jonų (pvz., jonų peroksido). Juose taip pat yra į ozoną panašių grupių, sudarytų iš trijų deguonies atomų. Tai paaiškina vieną nepaprastai įdomų ir svarbų pastebėjimą. Kai žmogus įkvepia smulkias oksidinių mineralų daleles, kurios atrodo inertiškos, saugios ir nekenksmingos, šios dalelės žiauriai juokauja ir prisideda prie plaučių vėžio išsivystymo. Visų pirma žinoma, kad asbestas yra kancerogenas, kuris yra labai inertiškas. Taigi tokių mineralų kaip asbestas ir kvarcas (ypač kvarco) paviršiuje gali susidaryti peroksido jonai, kurie atlieka pagrindinį vaidmenį formuojantis ir vystantis vėžiui. Mūsų technika taip pat gali numatyti sąlygas, kuriomis būtų galima išvengti tokio tipo dalelių susidarymo. Tai yra, yra net vilties rasti plaučių vėžio terapiją ir prevenciją. Šiuo atveju kalbame tik apie plaučių vėžį. Ir iš visiškai netikėtos pusės mūsų tyrimų rezultatai leido suprasti, o gal net užkirsti kelią ar išgydyti plaučių vėžį.

Apibendrinant galima pasakyti, kad kristalų struktūrų numatymas gali atlikti pagrindinį vaidmenį kuriant medžiagas tiek mikroelektronikai, tiek farmacijai. Apskritai ši technologija atveria naują kelią ateities technologijoje, įsitikinęs Oganovas.

Galite perskaityti apie kitas Artemo laboratorijos sritis spustelėję nuorodą ir susipažinti su jo knyga Šiuolaikiniai kristalų struktūros numatymo metodai

Skelbiame Niujorko valstybinio universiteto profesoriaus, Maskvos valstybinio universiteto docento, Guilino universiteto garbės profesoriaus paskaitos tekstą.Artem Oganovas 8 2012 m. rugsėjis kaip serijos „Viešos paskaitos“ Polit.ru dalis knygų festivalyje po atviru dangumi Knygų turgus menų parke „Muzeon“.

„Viešos paskaitos“ Polit.ru „“ vyksta remiant:

Paskaitos tekstas

Esu labai dėkingas šio festivalio organizatoriams ir Polit.ru už pakvietimą. Man didelė garbė skaityti šią paskaitą; Tikiuosi, kad jums tai bus įdomu.

Paskaita tiesiogiai susijusi su mūsų ateitimi, nes mūsų ateitis neįmanoma be naujų technologijų, technologijų, susijusių su mūsų gyvenimo kokybe, čia yra iPad, čia yra mūsų projektorius, visa mūsų elektronika, energiją taupančios technologijos, technologijos, kurios yra naudojamos valyti aplinką, medicinoje taikomas technologijas ir tt – visa tai labai priklauso nuo naujų medžiagų, naujoms technologijoms reikia naujų medžiagų, medžiagų, turinčių unikalių, ypatingų savybių. Ir bus pasakojimas apie tai, kaip šias naujas medžiagas galima sukurti ne laboratorijoje, o kompiuteryje.

Paskaita pavadinta: "Naujų medžiagų kompiuterinis dizainas: svajonė ar realybė?" Jei tai būtų tik svajonė, paskaita neturėtų prasmės. Svajonės dažniausiai yra kažkas už realybės ribų. Kita vertus, jei tai jau būtų iki galo įgyvendinta, paskaita taip pat netektų prasmės, nes naujos rūšies metodika, įskaitant ir teorinius skaičiavimo metodus, kai jau yra pilnai išvystyta, pereina iš mokslo kategorijos į kategoriją. rutininės pramonės užduotys. Tiesą sakant, ši sritis yra visiškai nauja: naujų medžiagų kompiuterinis dizainas yra kažkur per vidurį tarp svajonės – to, kas neįmanoma, apie ką svajojame laisvalaikiu – ir realybės, tai sritis, kuri dar nėra iki galo užbaigta, tai sritis, kuri šiuo metu vystoma. O ši sritis leis artimiausiu metu nukrypti nuo tradicinio naujų medžiagų atradimo būdo, laboratorijos ir pradėti kompiuterinį medžiagų projektavimą, tai būtų ir pigiau, ir greičiau, daugeliu atžvilgių dar patikimiau. Štai kaip tai padaryti, ir aš jums pasakysiu. Tai tiesiogiai susiję su numatymo, medžiagos struktūros numatymo problema, nes medžiagos struktūra lemia jos savybes. Skirtinga tos pačios medžiagos, tarkime, anglies, struktūra lemia ypač kietą deimantą ir ypač minkštą grafitą. Struktūra šiuo atveju yra viskas. Medžiagos struktūra.

Apskritai šiemet švenčiame pirmųjų eksperimentų, leidusių atrasti materijos sandarą, šimtmetį. Seniai, nuo seniausių laikų, žmonės iškėlė hipotezę, kad materija susideda iš atomų. Paminėjimą apie tai galima rasti, pavyzdžiui, Biblijoje, įvairiuose indų epuose, o gana išsamių nuorodų į tai galima pamatyti pas Demokritą ir Lukrecijus Karą. Ir pirmasis paminėjimas apie tai, kaip veikia materija, kaip ši materija susideda iš šių atskirų dalelių, atomų, priklauso Johannesui Kepleriui, didžiajam matematikui, astronomui ir net astrologui – tuo metu astrologija, deja, dar buvo laikoma mokslu. Kepleris nupiešė pirmuosius paveikslus, kuriuose paaiškino šešiakampę snaigių formą, o Keplerio pasiūlyta ledo struktūra, nors ir skiriasi nuo tikrovės, daugeliu atžvilgių yra panaši į ją. Tačiau, nepaisant to, hipotezė apie materijos atominę struktūrą išliko hipoteze iki XX amžiaus, kol prieš šimtą metų ši hipotezė pirmą kartą buvo moksliškai įrodyta. Tai pasitvirtino mano mokslas, kristalografija, palyginti naujas mokslas, gimęs XVII amžiaus viduryje, 1669 m. yra oficiali kristalografijos mokslo gimimo data, kurią sukūrė nuostabus danų mokslininkas. Nikolajus Stenonas. Tiesą sakant, jo vardas buvo Nilsas Stensenas, jis buvo danas, lotyniškas vardas buvo Nikolajus Stenonas. Jis įkūrė ne tik kristalografiją, bet ir daugybę mokslinių disciplinų, suformulavo pirmąjį kristalografijos dėsnį. Nuo to laiko pradėjo vystytis kristalografija greitėjančia trajektorija.

Nikolajus Stenonas turėjo unikalią biografiją. Jis tapo ne tik kelių mokslų pradininku, bet ir buvo kanonizuotas Katalikų bažnyčioje. Didžiausias vokiečių poetas Gėtė taip pat buvo kristalografas. Ir Gėtė turi citatą, kad kristalografija yra neproduktyvi, egzistuoja savyje, ir apskritai šis mokslas yra visiškai nenaudingas ir neaišku, kam jis reikalingas, bet kaip galvosūkis labai įdomus ir dėl to pritraukia labai protingus žmonių. Taip Goethe sakė per mokslo populiarinimo paskaitą, kurią jis skaitė kur nors Badeno kurortuose turtingoms, ilsintis damoms. Beje, yra Gėtės vardu pavadintas mineralas – goetitas. Turiu pasakyti, kad tuo metu kristalografija buvo tikrai nenaudingas mokslas, tikrai kažkokių matematinių šaradų ir galvosūkių lygyje. Tačiau laikas praėjo, ir prieš 100 metų kristalografija savaime paliko tokių mokslų kategoriją ir tapo itin naudingu mokslu. Prieš tai įvyko didžiulė tragedija.

Kartoju, atominė materijos struktūra išliko hipoteze iki 1912 m. Didysis austrų fizikas Ludwigas Boltzmannas visus savo mokslinius argumentus grindė šia hipoteze apie materijos atomiškumą ir buvo griežtai kritikuojamas daugelio jo oponentų: „kaip jūs galite visas savo teorijas remtis neįrodyta hipoteze? Liudvikas Boltzmannas, paveiktas šios kritikos ir blogos sveikatos, nusižudė 1906 m. Jis pasikorė atostogaudamas su šeima Italijoje. Vos po 6 metų buvo įrodyta materijos atominė struktūra. Taigi, jei būtų buvęs šiek tiek kantresnis, būtų triumfavęs prieš visus savo priešininkus. Kantrybė kartais reiškia daugiau nei protas, kantrybė – daugiau nei net genialumas. Taigi – kokie buvo šie eksperimentai? Šiuos eksperimentus atliko Maxas von Laue, tiksliau, jo magistrantai. Pats Maxas von Laue nedarė tokių eksperimentų, tačiau idėja priklausė jam. Idėja buvo tokia, kad jei materiją iš tikrųjų sudaro atomai, jei iš tikrųjų, kaip pasiūlė Kepleris, atomai kristale statomi periodiškai reguliariai, tuomet reikėtų pastebėti įdomų reiškinį. Rentgeno spinduliai buvo aptikti neilgai. Fizikai tuo metu jau gerai suprato, kad jei spinduliuotės bangos ilgis yra panašus į periodiškumo ilgį - būdingą objekto, šiuo atveju - kristalo, ilgį, tada reikia stebėti difrakcijos reiškinį. Tai yra, spinduliai keliaus ne tik griežtai tiesia linija, bet ir nukryps visiškai griežtai apibrėžtais kampais. Taigi iš kristalo reikėtų stebėti tam tikrą labai ypatingą rentgeno spindulių difrakcijos modelį. Buvo žinoma, kad rentgeno spindulių bangos ilgis turėtų būti panašus į atomų dydį; jei atomai yra, buvo daromi atomų dydžio įverčiai. Taigi, jei atominė materijos sandaros hipotezė yra teisinga, tuomet reikėtų stebėti kristalų rentgeno difrakciją. Kas gali būti lengviau, kaip patikrinti?

Paprasta idėja, paprastas eksperimentas, kuriam per kiek daugiau nei metus Laue gavo Nobelio fizikos premiją. Ir mes galime išbandyti šį eksperimentą. Bet, deja, dabar per lengva visiems stebėti šį eksperimentą. Bet gal pabandysime su vienu liudininku? Kas galėtų čia ateiti ir pabandyti stebėti šį eksperimentą?

Žiūrėk. Čia yra lazerinis žymeklis, mes jį šviečiame – o kas čia vyksta? Turime ne rentgeno spindulius, o optinį lazerį. Ir tai ne kristalo struktūra, o jo vaizdas, išpūstas 10 tūkstančių kartų: bet lazerio bangos ilgis taip pat yra 10 tūkstančių kartų didesnis už rentgeno spinduliuotės bangos ilgį, taigi vėl įvykdoma difrakcijos sąlyga - bangos ilgio palyginamumas. su kristalinės gardelės periodu. Pažvelkime į objektą, kuriame nėra taisyklingos struktūros, skysčio. Štai Olegai, laikyk šitą paveikslą, o aš pašviesinsiu lazeriu, ateik arčiau, nuotrauka bus maža, nes negalime projektuoti... žiūrėk, matai čia žiedą, viduje yra taškas, apibūdinantis tiesioginį praėjimą sijos. Tačiau žiedas yra difrakcija nuo neorganizuotos skysčio struktūros. Jei prieš mus yra kristalas, vaizdas bus visiškai kitoks. Matote, mes turime daug spindulių, kurie nukrypsta griežtai apibrėžtais kampais.

Olegas (savanorius): Tikriausiai todėl, kad daugiau atomų...

Artiomas Oganovas: Ne, dėl to, kad atomai išsidėstę griežtai apibrėžtu būdu, galime stebėti tokį difrakcijos modelį. Šis paveikslas yra labai simetriškas ir tai svarbu. Paplokime Olegui už puikų eksperimentą, kuris prieš 100 metų būtų pelnęs Nobelio premiją.

Tada, kitais metais, Braggie tėvas ir sūnus išmoko iššifruoti difrakcijos paveikslėlius ir pagal juos nustatyti kristalų struktūras. Pirmosios struktūros buvo labai paprastos, tačiau dabar, pasitelkus naujausias metodikas, už kurias 1985 metais buvo įteikta Nobelio premija, eksperimento pagrindu galima iššifruoti jau labai labai sudėtingas struktūras. Štai eksperimentas, kurį mes su Olegu pakartojome. Čia yra pradinė struktūra, čia yra benzeno molekulės, o Olegas pastebėjo tokį difrakcijos vaizdą. Dabar eksperimento pagalba galima iššifruoti labai sudėtingas struktūras, ypač kvazikristalų struktūras, o už kvazikristalų, šios naujos kietosios medžiagos būsenos, atradimą praėjusiais metais buvo suteikta Nobelio chemijos premija. Kokia dinamiška ši sritis, kokie esminiai atradimai daromi mūsų amžiuje! Baltymų ir kitų biologiškai aktyvių molekulių struktūra taip pat iššifruojama naudojant rentgeno spindulių difrakciją – šį puikų kristalografinį metodą.

Taigi, žinome įvairias materijos būsenas: sutvarkytą kristalinę ir kvazikristalinę, amorfinę (netvarkingą kietąją būseną), taip pat skystą, dujinę ir įvairias polimerines materijos būsenas. Žinodami medžiagos struktūrą, galite numatyti daugybę jos savybių ir su dideliu patikimumu. Čia yra magnio silikato, tam tikros perovskito rūšies, struktūra. Žinodami apytiksles atomų padėtis, galite numatyti, pavyzdžiui, tokią gana sudėtingą savybę kaip elastinės konstantos – ši savybė apibūdinama 4 rango tenzoriumi su daugybe komponentų, o šią sudėtingą savybę galite numatyti eksperimentiniu tikslumu, žinodami tik atomų padėtis. Ir ši medžiaga yra gana svarbi, ji sudaro 40% mūsų planetos tūrio. Tai yra labiausiai paplitusi medžiaga Žemėje. Ir dabar jūs galite suprasti šios medžiagos, egzistuojančios dideliame gylyje, savybes, žinodami tik atomų išsidėstymą.

Norėčiau šiek tiek pakalbėti apie tai, kaip savybės yra susijusios su struktūra, kaip numatyti medžiagos struktūrą, kad būtų galima numatyti naujas medžiagas ir kas buvo padaryta naudojant tokius metodus. Kodėl ledas lengvesnis už vandenį? Visi žinome, kad ledkalniai plūduriuoja ir neskęsta; žinome, kad ledas visada yra upės paviršiuje, o ne dugne. Kas nutiko? Kalbama apie struktūrą: jei pažvelgsite į šią ledo struktūrą, pamatysite jame dideles šešiakampes tuštumas, o kai ledas pradės tirpti, vandens molekulės užkemša šias šešiakampes tuštumas, dėl to vandens tankis tampa didesnis nei ledo tankis. Ir mes galime parodyti, kaip šis procesas vyksta. Parodysiu trumpą filmuką, atidžiai pažiūrėkite. Lydymas prasidės nuo paviršių, kaip tai iš tikrųjų vyksta, tačiau tai yra kompiuterinis skaičiavimas. Ir pamatysite, kaip tirpimas plinta į vidų... molekulės juda ir pamatysite, kaip šie šešiakampiai kanalai užsikemša ir prarandamas struktūros teisingumas.

Ledas turi keletą skirtingų formų, o ledo forma labai įdomi, kuri gaunama užpildant ledo struktūros tuštumas svečių molekulėmis. Tačiau pati struktūra taip pat pasikeis. Aš kalbu apie vadinamuosius dujų hidratus arba klatratus. Matote vandens molekulių sistemą, kurioje yra tuštumų, kuriose yra svečių molekulių arba atomų. Svečių molekulės gali būti metanas – gamtinės dujos, gal anglies dioksidas, gal, pavyzdžiui, ksenono atomas, ir kiekvienas iš šių dujų hidratų turi įdomią istoriją. Faktas yra tas, kad metano hidrato atsargose yra 2 eilėmis daugiau gamtinių dujų nei tradiciniuose dujų telkiniuose. Šio tipo telkiniai, kaip taisyklė, yra jūros šelfe ir amžinojo įšalo zonose. Problema ta, kad žmonės vis dar neišmoko saugiai ir ekonomiškai išgauti iš jų dujas. Jei ši problema bus išspręsta, tuomet žmonija galės pamiršti energetinę krizę, ateinantiems amžiams turėsime beveik neišsenkamą energijos šaltinį. Anglies dioksido hidratas yra labai įdomus - jis gali būti naudojamas kaip saugus būdas palaidoti anglies dioksido perteklių. Nedideliu slėgiu jūs pumpuojate anglies dioksidą į ledą ir išpilate jį į jūros dugną. Šis ledas ten gana ramiai egzistuoja daugelį tūkstančių metų. Ksenono hidratas buvo ksenono anestezijos paaiškinimas – hipotezę, kurią prieš 60 metų iškėlė didysis kristalų chemikas Linusas Paulingas: faktas yra tas, kad jei žmogui leidžiama kvėpuoti ksenonu, esant nedideliam slėgiui, žmogus nustoja jausti skausmą. . Jis buvo ir, atrodo, dabar kartais naudojamas anestezijai atliekant chirurgines procedūras. Kodėl?

Ksenonas, esant žemam slėgiui, sudaro junginius su vandens molekulėmis, sudarydamas pačius dujų hidratus, kurie blokuoja elektrinio signalo sklidimą per žmogaus nervų sistemą. O skausmo signalas iš operuoto audinio tiesiog nepasiekia raumenų, dėl to, kad būtent tokios struktūros susidaro ksenono hidratas. Tai buvo pati pirmoji hipotezė, galbūt tiesa yra šiek tiek sudėtingesnė, bet neabejotina, kad tiesa yra arti. Kai kalbame apie tokias akytas medžiagas, negalima prisiminti mikroporinių silikatų, vadinamųjų ceolitų, kurie labai plačiai naudojami pramonėje katalizei, taip pat molekulių atskyrimui naftos krekingo metu. Pavyzdžiui, oktanines ir mezooktanines molekules puikiai atskiria ceolitai: tai ta pati cheminė formulė, tačiau molekulių struktūra šiek tiek skiriasi: viena iš jų yra ilga ir plona, ​​kita - trumpa ir stora. O plonas praeina per konstrukcijos tuštumas, o storas – pašalinamas, todėl tokios struktūros, tokios medžiagos vadinamos molekuliniais sietais. Šie molekuliniai sietai naudojami vandeniui valyti, ypač vandeniui, kurį geriame iš čiaupų, jis turi būti kelis kartus filtruotas, įskaitant ceolitų naudojimą. Tokiu būdu galite atsikratyti taršos įvairiausiais cheminiais teršalais. Cheminiai teršalai kartais yra itin pavojingi. Istorija žino pavyzdžių, kaip apsinuodijus sunkiaisiais metalais atsirado labai liūdnų istorinių pavyzdžių.

Matyt, apsinuodijimo gyvsidabriu aukomis tapo pirmasis pirmasis Kinijos imperatorius Qin Shi Huang Ti ir Ivanas Rūstusis, o vadinamoji pamišusio kepurininko liga yra labai gerai ištirta, 18-19 amžiuose Anglijoje visa klasė žmonių, dirbančių skrybėlių pramonėje, labai anksti susirgo neurologine liga, vadinama išprotėjusia skrybėlių liga. Jų kalba tapo nerišli, veiksmai beprasmiai, galūnės nevaldomai drebėjo, jie puolė į silpnaprotystę ir beprotybę. Jų kūnas nuolat kontaktavo su gyvsidabriu, nes šias kepures mirkė gyvsidabrio druskų tirpaluose, kurie pateko į jų organizmą ir paveikė nervų sistemą. Ivanas Rūstusis buvo labai progresyvus, geras caras iki 30 metų, po to per naktį pasikeitė – ir tapo bepročiu tironu. Ekshumuojant jo kūną paaiškėjo, kad jo kaulai buvo stipriai deformuoti, juose buvo didžiulė gyvsidabrio koncentracija. Faktas yra tas, kad caras sirgo sunkia artrito forma, o tuo metu artritas buvo gydomas įtrynus gyvsidabrio tepalais – tai buvo vienintelė priemonė, ir, ko gero, gyvsidabris paaiškina keistą Ivano Rūsčiojo beprotybę. Qin Shi Huang Ti, žmogus, sukūręs Kiniją dabartine forma, valdė 36 metus, o pirmus 12 metų buvo lėlė savo motinos, regentės, rankose, jo istorija panaši į Hamleto istoriją. Jo motina ir jos meilužis nužudė jo tėvą, o paskui bandė atsikratyti ir jo – baisi istorija. Tačiau subrendęs pradėjo valdyti pats – ir per 12 metų nutraukė 400 metų trukusį tarpusavio karą tarp 7 Kinijos karalysčių, suvienijo Kiniją, sujungė svorio, pinigų, vieningo kinų rašto matmenis, pastatė Didžiąją kinų sieną, nutiesė 6,5 tūkstančius kilometrų iki šiol naudojamų greitkelių, tebenaudojamų kanalų, ir visa tai padarė vienas žmogus, tačiau pastaraisiais metais jis kentėjo nuo kažkokios keistos formos manijos beprotybė. Jo alchemikai, norėdami padaryti jį nemirtingą, davė jam gyvsidabrio tabletes, tikėjo, kad tai padarys jį nemirtingu, todėl šis žmogus, matyt, pasižymėjęs puikia sveikata, mirė nesulaukęs 50 metų, o paskutinius šį trumpą gyvenimą temdė beprotybė. Apsinuodijimas švinu galėjo tapti jo aukomis ne vieną Romos imperatorių: Romoje buvo švino vandens tiekimo sistema, akvedukas, ir yra žinoma, kad apsinuodijus švinu susitraukia tam tikros smegenų dalys, tai matosi net tomografinėse nuotraukose, intelektas krenta, IQ krenta, žmogus tampa labai agresyvus ... Apsinuodijimas švinu vis dar yra didelė problema daugelyje miestų ir šalių. Norėdami atsikratyti tokio nepageidaujamo poveikio, turime sukurti naujas medžiagas, skirtas išvalyti aplinką.

Įdomios medžiagos, kurios nėra iki galo paaiškintos, yra superlaidininkai. Superlaidumas taip pat buvo atrastas prieš 100 metų. Šis reiškinys daugeliu atžvilgių yra egzotiškas, jis buvo atrastas atsitiktinai. Jie tiesiog atvėsino gyvsidabrį skystame heliu, išmatavo elektrinę varžą, paaiškėjo, kad ji nukrenta tiksliai iki nulio, o vėliau paaiškėjo, kad superlaidininkai visiškai išstumia magnetinį lauką ir geba levituoti magnetiniame lauke. Šios dvi superlaidininkų charakteristikos plačiai naudojamos aukštųjų technologijų srityse. Prieš 100 metų atrastas superlaidumo tipas buvo paaiškintas, paaiškinti prireikė pusės amžiaus, šis paaiškinimas atnešė Nobelio premiją Johnui Bardeenui ir jo kolegoms. Bet tada devintajame dešimtmetyje, jau mūsų amžiuje, buvo atrastas naujas superlaidumo tipas, o geriausi superlaidininkai priklauso būtent šiai klasei - aukštos temperatūros superlaidininkams, kurių pagrindas yra varis. Įdomi ypatybė yra ta, kad toks superlaidumas vis dar neturi paaiškinimo. Superlaidininkai turi daug pritaikymų. Pavyzdžiui, superlaidininkų pagalba sukuriami galingiausi magnetiniai laukai ir tai panaudojama magnetinio rezonanso tomografijoje. Magnetiniai skraidantys traukiniai yra dar vienas pritaikymas, o štai nuotrauka, kurią aš asmeniškai padariau Šanchajuje tokiame traukinyje – matosi greičio indikatorius ties 431 kilometru per valandą. Superlaidininkai kartais būna labai egzotiški: organiniai superlaidininkai žinomi jau daugiau nei 30 metų, tai yra superlaidininkai anglies pagrindu, pasirodo, net deimantą superlaidininku galima padaryti įvedus į jį nedidelį kiekį boro atomų. Grafitas taip pat gali būti pagamintas superlaidininku.

Čia taip pat įdomi istorinė paralelė apie tai, kaip medžiagų savybės ar jų nežinojimas gali turėti mirtinų pasekmių. Dvi istorijos, kurios labai gražios, bet, matyt, istoriškai klaidingos, bet vis tiek jas papasakosiu, nes graži istorija kartais geriau nei tikra istorija. Populiariojoje mokslinėje literatūroje labai dažnai galima rasti nuorodų, kaip alavo maro poveikis – o štai jo pavyzdys – sužlugdė Napoleono ir kapitono Skoto ekspedicijas Rusijoje į Pietų ašigalį. Faktas yra tas, kad esant 13 laipsnių Celsijaus temperatūrai, alavas pereina iš metalo (tai yra baltas alavas) į pilką skardą, puslaidininkį, o tankis smarkiai sumažėja - ir alavas suyra. Tai vadinama „alavo maru“ – alavas tiesiog subyra į dulkes. Ir čia yra istorija, kuriai aš nemačiau išsamaus paaiškinimo. Napoleonas atvyksta į Rusiją su 620 tūkstančių armija, duoda tik keletą palyginti nedidelių mūšių – ir tik 150 tūkstančių žmonių pasiekia Borodiną. Atvažiuoja 620, į Borodino beveik be kovos ateina 150 tūkst. Valdant Borodinui, aukų buvo dar apie 40 tūkstančių, tada traukimasis iš Maskvos – ir 5 tūkstančiai išgyveno į Paryžių. Beje, atsitraukimas taip pat buvo beveik be kovos. Kas vyksta? Kaip be kovos nuslysti nuo 620 tūkstančių iki 5 tūkstančių? Yra istorikų, teigiančių, kad dėl visko kaltas skardinis maras: karių uniformų sagos buvo iš skardos, skarda subyrėjo vos užėjus šalčiams, o kariai buvo praktiškai nuogi rusiškame šaltyje. Problema ta, kad mygtukai buvo pagaminti iš nešvarios skardos, kuri yra atspari alavo marui.

Labai dažnai populiariojoje mokslinėje spaudoje galima pamatyti paminėjimą apie tai, kad kapitonas Scottas, remiantis įvairiomis versijomis, arba gabeno su savimi lėktuvus, kurių degalų bakuose buvo alavo lydmetalis, arba konservus skardinėse - skarda vėl subyrėjo. , o ekspedicija mirė iš bado ir šalčio. Tiesą sakant, skaičiau kapitono Skoto dienoraščius – jis neminėjo jokių lėktuvų, turėjo kažkokius sniego motociklus, bet vėlgi nerašo apie kuro baką, nerašo ir apie konservus. Taigi šios hipotezės atrodo klaidingos, bet labai įdomios ir pamokančios. O prisiminti apie alavo maro poveikį bet kuriuo atveju naudinga, jei vykstate į šaltą klimatą.

Štai dar viena patirtis, o čia man reikia verdančio vandens. Kitas efektas, susijęs su medžiagomis ir jų struktūra, kuris nebūtų kilęs nė vienam žmogui, yra formos atminties efektas, taip pat atrastas visiškai atsitiktinai. Šioje iliustracijoje matote, kad mano kolegos iš šios vielos padarė dvi raides: TU, Technikos universitetas, jie sukietino šią formą aukštoje temperatūroje. Jei forma grūdinama aukštoje temperatūroje, medžiaga šią formą įsimins. Galite padaryti širdį, pavyzdžiui, padovanoti ją savo mylimajam ir pasakyti: ši širdis prisimins mano jausmus amžinai... tada ši forma gali būti sunaikinta, bet vos įdėjus ją į karštą vandenį forma atkuriama, atrodo kaip magija. Jūs ką tik sulaužėte šią formą, bet įdėjote į karštą vandenį – forma atsistato. Ir visa tai vyksta dėl labai įdomios ir gana subtilios struktūrinės transformacijos, kuri vyksta šioje medžiagoje esant 60 laipsnių Celsijaus temperatūrai, todėl mūsų eksperimente reikalingas karštas vanduo. Ir pliene vyksta ta pati transformacija, bet pliene ji vyksta per lėtai – ir formos efekto atmintis nekyla. Įsivaizduokite, jei plienas taip pat parodytų tokį poveikį, mes gyventume visiškai kitame pasaulyje. Formos atminties efektas naudojamas daugeliui: dantų breketai, širdies šuntai, variklio dalys lėktuvuose triukšmui mažinti, sukibimas dujotiekiuose ir naftotiekiuose. Dabar man reikia kito savanorio... prašau, koks tavo vardas? Vika? Mums reikės Vicky pagalbos su šiuo laidu, tai formos atminties laidas. Tas pats nitinolio lydinys, nikelio ir titano lydinys. Ši viela buvo grūdinta tiesios vielos pavidalu, ir jis prisimins šią formą amžinai. Vika, paimk šios vielos gabalėlį ir visaip susuk, padaryk kuo netiesioginį, tik nesurišk mazgų: mazgas neišsis. O dabar panardinkite į verdantį vandenį, ir viela prisimins tokią formą... na kaip ištiesė? Šį efektą galima stebėti amžinai, turbūt tūkstantį kartų mačiau, bet kiekvieną kartą kaip vaikas žiūriu ir žaviuosi, koks gražus efektas. Paplokime Vikai. Būtų puiku, jei išmoktume tokias medžiagas nuspėti kompiuteriu.

O čia yra optinės medžiagų savybės, kurios taip pat yra visiškai nebanalios. Pasirodo, daugelis medžiagų, beveik visi kristalai, skaido šviesos spindulį į du pluoštus, kurie sklinda skirtingomis kryptimis ir skirtingu greičiu. Dėl to, jei pažvelgsite per kristalą į kažkokį užrašą, tada užrašas visada bus šiek tiek padvigubintas. Bet, kaip taisyklė, mūsų akimis jis neatskiriamas. Kai kuriuose kristaluose šis poveikis yra toks stiprus, kad iš tikrųjų galite pamatyti du užrašus.

Klausimas iš auditorijos: Sakėte – skirtingu greičiu?

Artemas Oganovas: Taip, šviesos greitis pastovus tik vakuume. Kondensuotoje terpėje jis yra mažesnis. Be to, esame įpratę manyti, kad kiekviena medžiaga turi tam tikrą spalvą. Rubinas – raudonas, safyras – mėlynas, bet, pasirodo, spalva gali priklausyti ir nuo krypties. Apskritai viena iš pagrindinių kristalo charakteristikų yra anizotropija – savybių priklausomybė nuo krypties. Savybės šia kryptimi ir šia kryptimi skiriasi. Štai mineralinis kordieritas, kurio spalva keičiasi įvairiomis kryptimis nuo rusvai gelsvos iki mėlynos, tai vienas ir tas pats kristalas. Ar kas nors manimi tiki? Specialiai atsivežiau kordierito kristalą, tai prašau... žiūrėk, kokios spalvos?

Klausimas iš auditorijos: Atrodo balta, bet taip...

Artemas Oganovas: Nuo tam tikros šviesos, pavyzdžiui, baltos, iki violetinės, jūs tiesiog sukate kristalą. Tiesą sakant, yra Islandijos legenda apie tai, kaip vikingai atrado Ameriką. Ir daugelis istorikų mano, kad ši legenda yra šio efekto panaudojimo požymis. Kai vikingai pasiklydo Atlanto vandenyno viduryje, jų karalius išėmė tam tikrą saulės akmenį ir prieblandoje sugebėjo nustatyti kryptį į Vakarus, ir taip jie išplaukė į Ameriką. Niekas nežino, kas yra saulės akmuo, bet daugelis istorikų mano, kad saulės akmuo yra tai, ką Vika laiko rankose, kordieritas, beje, kordieritas randamas prie Norvegijos krantų, o šio krištolo pagalba tikrai galima naršyti. prieblandoje, vakaro šviesoje, taip pat poliarinėse platumose. Ir šį efektą JAV oro pajėgos naudojo iki šeštojo dešimtmečio, kai jį pakeitė pažangesni metodai. O čia dar vienas įdomus efektas - aleksandritas, jei kas turi noro, atsinešiau sintetinio aleksandrito kristalą, jo spalva keičiasi priklausomai nuo šviesos šaltinio: dienos šviesos ir elektrinio. Ir galiausiai, dar vienas įdomus efektas, kurio mokslininkai ir meno kritikai negalėjo suprasti daugelį amžių. Likurgo dubuo yra objektas, kurį daugiau nei prieš 2 tūkstančius metų pagamino Romos amatininkai. Išsklaidytoje šviesoje šis dubuo yra žalias, o praleidžiamoje šviesoje – raudonas. Ir man pavyko tai suprasti vos prieš keletą metų. Paaiškėjo, kad dubuo ne iš gryno stiklo, o jame yra aukso nanodalelės, kurios sukuria šį efektą. Dabar mes suprantame spalvos prigimtį – spalva siejama su tam tikrais sugerties diapazonais, su elektronine materijos struktūra, o tai, savo ruožtu, yra susijusi su atomine materijos struktūra.

Klausimas iš auditorijos: Ar galima paaiškinti sąvokas „atspindi“ ir „praėjimas“?

Artemas Oganovas: Gali! Beje, atkreipiu dėmesį, kad būtent šie sugerties spektrai lemia, kodėl kordieritas skirtingomis kryptimis turi skirtingą spalvą. Faktas yra tas, kad pati kristalo struktūra - ypač kordieritas - skirtingomis kryptimis atrodo skirtingai, o šviesa šiomis kryptimis yra sugeriama skirtingai.

Kas yra balta šviesa? Tai yra visas spektras nuo raudonos iki violetinės, o kai šviesa praeina per kristalą, dalis šio diapazono sugeriama. Pavyzdžiui, kristalas gali sugerti mėlyną spalvą, o koks bus rezultatas, galite pamatyti iš šios lentelės. Jei sugeriate mėlynus spindulius, tada išvestis bus oranžinė, tai yra, kai pamatysite kažką oranžinio, žinote, kad ši medžiaga sugeria mėlyną diapazoną. Išsklaidyta šviesa yra tada, kai ant stalo turite tą patį Lycurgus dubenį, krenta šviesa, o dalis šios šviesos išsisklaido ir patenka į akis. Šviesos sklaida paklūsta visiškai skirtingiems dėsniams ir ypač priklauso nuo objekto grūdėtumo. Dėl šviesos sklaidos dangus yra mėlynas. Yra Rayleigh sklaidos dėsnis, galintis paaiškinti šias spalvas.

Parodžiau, kaip savybės susiejamos su struktūra. O kaip galite nuspėti kristalų struktūrą, dabar trumpai panagrinėsime. Tai reiškia, kad kristalų struktūrų numatymo problema dar visai neseniai buvo laikoma neišsprendžiama. Pati problema suformuluota taip: kaip rasti tokį atomų išsidėstymą, kuris suteiktų didžiausią stabilumą – tai yra mažiausiai energijos? Kaip tai padaryti? Žinoma, galite išvardyti visus atomų išdėstymo erdvėje variantus, bet pasirodo, kad tokių variantų yra tiek daug, kad jums neužteks gyvenimo jiems išvardinti, tiesą sakant, net ir gana paprastoms sistemoms, tarkime, , turintis 20 atomų, jums prireiks daugiau nei tam tikro visatos gyvavimo laiko, kad sutvarkytumėte visas šias galimas kombinacijas kompiuteryje. Todėl buvo manoma, kad ši užduotis yra neišsprendžiama. Nepaisant to, mums pavyko išspręsti šią problemą, be to, keliais būdais, o veiksmingiausią metodą, nors ir skamba nekukliai, sukūrė mano grupė. Metodas vadinasi „Sėkmė“, „USPEX“, evoliucinis metodas, evoliucinis algoritmas, kurio esmę dabar pabandysiu jums paaiškinti. Užduotis prilygsta globalaus maksimumo paieškai kokiame nors daugiamačiame paviršiuje – paprastumo dėlei apsvarstykite dvimatį paviršių, Žemės paviršių, kuriame reikia rasti aukščiausią kalną neturint žemėlapių. Sakykime taip, kaip pasakė mano kolega iš Australijos Richardas Cleggas – jis yra australas, mėgsta kengūras, o jo formuluotėje pasitelkus kengūras, pakankamai neprotingų gyvūnų, reikia nustatyti aukščiausią tašką ant paviršiaus. žemė. Kengūra supranta tik paprastus nurodymus – eik aukštyn, leisk žemyn. Pagal evoliucinį algoritmą mes atsitiktinai išmetame kengūrų tūpimą į skirtingas planetos dalis ir kiekvienai iš jų duodame nurodymą: eikite į artimiausios kalvos viršūnę. Ir jie eina. Kai šios kengūros pasiekia, pavyzdžiui, Vorobyovy Gory, o kai pasiekia Elbrusą, tie, kurie nepasiekė aukštumos, yra pašalinami ir nušaunami atgal. Ateina medžiotojas, beveik pasakė, kad menininkas, ateina medžiotojas ir nušauna, o tie, kurie išgyveno, gauna teisę veisti. Ir to dėka iš visos paieškos erdvės galima išsirinkti perspektyviausias sritis. Ir žingsnis po žingsnio, šaudydami vis aukštesnes kengūras, iškelsite kengūrų populiaciją iki pasaulinio maksimumo. Kengūros susilauks vis sėkmingesnių palikuonių, medžiotojai nušaus vis daugiau aukštai laipiojančių kengūrų ir taip šią populiaciją galima tiesiog nuvaryti į Everestą.

Ir tai yra evoliucinių metodų esmė. Paprastumo dėlei nepateikiu techninių detalių, kaip tai buvo įgyvendinta. Ir čia yra dar vienas dvimatis šio metodo įgyvendinimas, čia yra energijų paviršius, reikia rasti mėlyniausią tašką, čia yra mūsų pradinės, atsitiktinės, struktūros – tai yra paryškinti taškai. Skaičiuojant iš karto suprantama, kurios blogos, čia - raudonose ir geltonose srityse, kurios iš jų perspektyviausios: mėlynose, žalsvose. Ir žingsnis po žingsnio perspektyviausių sričių bandymų tankumas auga, kol randame tinkamiausią, stabiliausią struktūrą. Yra įvairių struktūrų numatymo metodų – atsitiktinės paieškos, dirbtinio atkaitinimo ir t.t., tačiau galingiausias pasirodė šis evoliucinis metodas.

Sunkiausia, kaip kompiuteriu susilaukti atžalų iš tėvų. Kaip paimti dvi tėvų struktūras ir paversti jas vaiku? Tiesą sakant, kompiuteryje galima padaryti vaikus ne tik iš dviejų tėvų, mes eksperimentavome, mes iš trijų, o iš keturių bandėme tai padaryti. Bet, kaip paaiškėja, tai nieko gero nepriveda, kaip ir gyvenime. Vaikui geriau turėti du tėvus. Beje, vienas iš tėvų irgi dirba, du tėvai optimalūs, o trys ar keturi jau nedirba. Evoliucinis metodas turi keletą įdomių bruožų, dėl kurių, beje, jis panašus į biologinę evoliuciją. Matome, kaip labai organizuoti, labai tvarkingi sprendimai atsiranda iš nepritaikytų, atsitiktinių struktūrų, nuo kurių pradedame skaičiavimą. Matome, kad skaičiavimai efektyviausi, kai struktūrų populiacija pati įvairiausia. Stabiliausios ir labiausiai išgyvenusios populiacijos yra įvairios populiacijos. Pavyzdžiui, man patinka Rusijoje tai, kad Rusijoje yra daugiau nei 150 tautų. Yra šviesiaplaukių, yra tamsiaplaukių, yra visokių kaukazo tautybės žmonių kaip aš, ir visa tai Rusijos gyventojams suteikia stabilumo ir ateities. Monotoniškos populiacijos neturi ateities. Tai labai aiškiai matyti iš efektyvumo skaičiavimų.

Ar galime numatyti, kad grafitas yra stabili anglies forma esant atmosferos slėgiui? Taip. Šis skaičiavimas yra labai greitas. Tačiau be grafito, tame pačiame skaičiavime gaminame keletą įdomių šiek tiek mažiau stabilių sprendimų. Ir šie sprendimai taip pat gali būti įdomūs. Jei padidinsime slėgį, grafitas jau yra nestabilus. Deimantas yra stabilus, ir mes jį labai lengvai randame. Pažiūrėkite, kaip skaičiavimas greitai sukuria deimantą iš netvarkingų pradinių struktūrų. Tačiau prieš randant deimantą, pagaminama daugybė įdomių konstrukcijų. Pavyzdžiui, ši struktūra. Nors deimantas turi šešiakampius žiedus, čia matomi 5 ir 7 pusių žiedai. Ši struktūra tik šiek tiek prastesnė stabilumu už deimantą, ir iš pradžių manėme, kad tai yra kuriozas, bet vėliau paaiškėjo, kad tai nauja, tikrai egzistuojanti anglies forma, kurią neseniai sukūrėme mes ir mūsų kolegos. Šis skaičiavimas buvo atliktas esant 1 milijonui atmosferų. Jei padidinsime slėgį iki 20 milijonų atmosferų, deimantas nustos būti stabilus. O vietoje deimanto bus stabili labai keista struktūra, kurios stabilumas anglies atžvilgiu tokiame slėgyje buvo spėliojamas daugelį dešimtmečių, ir mūsų skaičiavimai tai patvirtina.

Ir mes, ir mūsų kolegos daug nuveikėme naudodami šį metodą, čia yra nedidelis įvairių atradimų pasirinkimas. Leiskite man papasakoti tik keletą iš jų.

Naudodami šį metodą laboratorinį medžiagų radimą galite pakeisti kompiuteriniu. Laboratoriniame medžiagų atradime Edisonas buvo nepralenkiamas čempionas, sakęs: „Aš nepatyriau 10 tūkstančių gedimų, radau tik 10 tūkstančių būdų, kurie neveikia“. Tai parodo, kiek reikia bandymų, nesėkmingų bandymų, kol šiuo metodu padarysite tikrą atradimą, o kompiuterinio dizaino pagalba galite pasiekti sėkmės 1 bandymu iš 1, 100 iš 100, 10 tūkst. 10 tūkst., tai mūsų tikslas yra pakeisti Edisono metodą kažkuo daug produktyvesniu.

Dabar galime optimizuoti ne tik energiją, bet ir bet kokį turtą. Paprasčiausia savybė yra tankis, o deimantas yra tankiausia iki šiol žinoma medžiaga. „Almaz“ daugeliu atžvilgių yra rekordininkas. Kubiniame centimetre deimantų yra daugiau atomų nei kubiniame centimetre bet kurios kitos medžiagos. Deimantui priklauso kietumo rekordas, be to, tai yra mažiausiai suspaudžiama žinoma medžiaga. Ar šie rekordai gali būti sumušti? Dabar galime užduoti šį klausimą kompiuteriui, o kompiuteris pateiks atsakymą. Ir atsakymas yra taip, kai kurie iš šių rekordų gali būti sumušti. Paaiškėjo, kad deimanto tankis pakankamai lengvai įveikiamas, yra tankesnių anglies formų, kurios turi teisę egzistuoti, bet dar nėra susintetintos. Šios anglies formos įveikia deimantą ne tik tankiu, bet ir optinėmis savybėmis. Jie turės didesnį lūžio rodiklį ir šviesos sklaidą – ką tai reiškia? Deimantų lūžio rodiklis suteikia deimantui neprilygstamą blizgesį ir vidinį šviesos atspindį, o šviesos sklaida reiškia, kad balta šviesa suskils į raudoną ir violetinį spektrą net labiau nei deimantas. Beje, čia yra medžiaga, kuri juvelyrikos pramonėje dažnai pakeičia deimantą – kubinis cirkonis, kubinis cirkonis. Jis lenkia deimantą šviesos sklaida, bet, deja, yra prastesnis už deimantą savo blizgesiu. Ir naujos anglies formos nugalės deimantą abiem atžvilgiais. O kietumas? Iki 2003-iųjų buvo manoma, kad kietumas yra savybė, kurios žmonės niekada neišmoks nuspėti ir apskaičiuoti, 2003-iaisiais viskas pasikeitė su Kinijos mokslininkų darbais, o šią vasarą lankiausi Kinijos Jangšano universitete, kur gavau dar vieną garbės profesoriaus laipsnį, ir ten aplankiau visos šios teorijos įkūrėją. Mums pavyko sukurti šią teoriją.

Čia yra lentelė, kurioje parodyta, kaip apskaičiuoti kietumo nustatymai atitinka eksperimentą. Daugeliui įprastų medžiagų susitarimas yra puikus, tačiau grafitui modeliai numatė, kad jis turėtų būti ypač kietas, o tai akivaizdžiai neteisinga. Mums pavyko suprasti ir ištaisyti šią klaidą. O dabar, naudodamiesi šiuo modeliu, mes patikimai prognozuojame bet kurios medžiagos kietumą ir galime užduoti kompiuteriui tokį klausimą: kuri medžiaga yra kiečiausia? Ar deimantą galima pranokti kietumu? Žmonės iš tikrųjų apie tai galvojo daugelį dešimtmečių. Taigi, kokia anglies struktūra yra sunkiausia? Atsakymas buvo atgrasus: deimantas, ir nieko kietesnio iš anglies negali būti. Tačiau galite rasti anglies struktūrų, kurių kietumas bus artimas deimantui. Anglies struktūros, kurių kietumas yra artimas deimantui, iš tikrųjų turi teisę egzistuoti. Ir vienas iš jų yra tas, kurį jums rodžiau anksčiau, su 5 ir 7 narių kanalais. Dubrovinskio 2001 metais literatūroje buvo pasiūlyta itin kieta medžiaga – titano dioksidas, kuris buvo manoma, kad kietumu jis ne ką prastesnis už deimantą, tačiau buvo abejonių. Eksperimentas buvo pakankamai prieštaringas. Beveik visi eksperimentiniai to darbo matavimai anksčiau ar vėliau buvo paneigti: išmatuoti kietumą buvo labai sunku dėl mažo mėginių dydžio. Tačiau skaičiavimai parodė, kad tame eksperimente kietumas taip pat buvo išmatuotas klaidingai, o tikrasis titano dioksido kietumas yra maždaug 3 kartus mažesnis nei teigė eksperimentuotojai. Taigi, naudojant tokius skaičiavimus, galima net nuspręsti, kuris eksperimentas yra patikimas, o kuris ne, todėl dabar šie skaičiavimai pasiekė aukštą tikslumą.

Norėčiau jums papasakoti dar vieną istoriją, susijusią su anglimi – ji buvo ypač žiauri per pastaruosius 6 metus. Bet tai prasidėjo prieš 50 metų, kai amerikiečių mokslininkai atliko tokį eksperimentą: paėmė grafitą ir suspaudė iki maždaug 150-200 tūkstančių atmosferų slėgio. Jei grafitas suspaudžiamas aukštoje temperatūroje, jis turi virsti deimantu, stabiliausia anglies forma esant aukštam slėgiui – taip sintetinamas deimantas. Jei atliksite šį eksperimentą kambario temperatūroje, tada deimantas negalės susidaryti. Kodėl? Kadangi struktūros pertvarkymas, reikalingas grafitui paversti deimantu, yra per didelis, šios struktūros yra per daug nepanašios, o energijos barjeras, kurį reikia įveikti, yra per didelis. O vietoj deimantų susidarymo stebėsime kokios nors kitos struktūros formavimąsi, ne pačios stabiliausios, o turinčios žemiausią formavimosi barjerą. Mes pasiūlėme tokią struktūrą – ir pavadinome ją M-carbon, tai ta pati konstrukcija su 5 ir 7 narių žiedais; mano draugai armėnai juokaudami jį vadina „Muglerod-Shmuglerod“. Paaiškėjo, kad ši struktūra pilnai apibūdina to 50 metų senumo eksperimento rezultatus ir eksperimentas buvo kartojamas daug kartų. Patirtis, beje, labai graži – kambario temperatūroje suspaudę grafitą (juodą, minkštą nepermatomą pusmetalį) tyrėjai gavo skaidrų itin kietą nemetalą: absoliučiai fantastiška transformacija! Bet tai nėra deimantas, jo savybės nesutampa su deimantu, o mūsų hipotetinė struktūra visiškai apibūdino šios medžiagos savybes. Buvome siaubingai laimingi, parašėme straipsnį ir paskelbėme prestižiniame žurnale „Physical Review Letters“ ir lygiai vienerius metus ilsėjomės ant laurų. Po metų amerikiečių ir japonų mokslininkai aptiko naują, visiškai kitokią nuo jos struktūrą, šią, su 4 ir 8 narių žiedais. Ši struktūra visiškai skiriasi nuo mūsų, tačiau beveik taip pat apibūdina eksperimentinius duomenis. Problema ta, kad eksperimentiniai duomenys buvo mažos skiriamosios gebos ir jiems tiko daugelis kitų struktūrų. Praėjo dar šeši mėnesiai, kinas, vardu Wang, pasiūlė W-carbon, o W-carbon taip pat paaiškino eksperimentinius duomenis. Netrukus istorija tapo groteskiška – prie jos prisijungė naujos kinų grupės, o kinai mėgsta gaminti, jie štampavo apie 40 konstrukcijų ir visos atitiko eksperimentinius duomenis: P-, Q-, R-, S-carbon, Q-carbon. , X -, Y-, Z-anglis, M10-anglis žinoma, X'-anglis ir t.t. - abėcėlės jau trūksta. Taigi kas teisus? Paprastai kalbant, mūsų M-carbon iš pradžių turėjo lygiai tiek pat pretenzijų, kad yra teisus, kaip ir visi kiti.

Klausytojų atsakymas: Visi teisūs.

Artemas Oganovas: Tai taip pat neįvyksta! Faktas yra tas, kad gamta visada renkasi kraštutinius sprendimus. Ne tik žmonės yra ekstremistai, bet ir gamta yra ekstremistai. Esant aukštai temperatūrai, gamta pasirenka stabiliausią būseną, nes esant aukštai temperatūrai galite pereiti bet kokį energijos barjerą, o esant žemai - gamta pasirenka mažiausią barjerą, ir laimėtojas gali būti tik vienas. Gali būti tik vienas čempionas – bet kas būtent? Galima daryti didelės raiškos eksperimentą, bet žmonės bandė 50 metų ir niekam nepavyko, visi rezultatai buvo nekokybiški. Galite atlikti skaičiavimą. O skaičiuojant būtų galima atsižvelgti į aktyvavimo kliūtis, trukdančias susiformuoti visoms 40 struktūrų. Bet, pirma, kinai vis dar buria vis naujas ir naujas struktūras, ir kad ir kiek stengtumėtės, vis tiek atsiras kinų, kurie pasakys: bet aš turiu dar vieną struktūrą, ir jūs jas skaičiuosite likusiam savo laikui. aktyvavimo kliūtys, kol būsite išsiųsti į užtarnautą poilsį. Tai yra pirmasis sunkumas. Antras sunkumas yra tas, kad kietojo kūno transformacijose labai labai sunku suskaičiuoti aktyvavimo kliūtis, tai labai nebanali užduotis, reikia specialių metodų ir galingų kompiuterių. Faktas yra tas, kad šios transformacijos vyksta ne visame kristale, o pirmiausia mažame fragmente - embrione, o tada plinta į embrioną ir toliau. O modeliuoti šį embrioną – be galo sunki užduotis. Bet mes radome tokį metodą, anksčiau Austrijos ir Amerikos mokslininkų sukurtą metodą, ir pritaikėme jį savo užduočiai. Mums pavyko šį metodą modifikuoti taip, kad vienu smūgiu šią problemą išspręstume kartą ir visiems laikams. Mes nustatome problemą taip: jei pradedate nuo grafito, pradinė būsena yra griežtai nurodyta, o galutinė būsena pateikiama neaiškiai - bet kokia tetraedrinė, sp3 hibridizuota anglies forma (ir tai yra būsenos, kurių tikimės esant slėgiui), kliūčių bus minimumas? Šis metodas sugeba suskaičiuoti kliūtis ir randa minimalų barjerą, tačiau jei galutinę būseną nustatysime kaip skirtingų struktūrų ansamblį, tada problemą galime išspręsti visiškai. Skaičiavimą pradėjome nuo grafito kelio – deimanto virsmo kaip „sėklos“, žinome, kad eksperimente ši transformacija nepastebima, bet pasidomėjome, ką skaičiavimas padarys su šia transformacija. Šiek tiek palaukėme (tiesą sakant, šis skaičiavimas superkompiuteryje užtruko šešis mėnesius) - ir vietoj deimanto skaičiavimas mums davė M-anglį.

Apskritai, turiu pasakyti, esu be galo laimingas žmogus, turėjau 1/40 šansų laimėti, nes buvo apie 40 struktūrų, kurios turėjo vienodas galimybes laimėti, bet aš vėl ištraukiau loterijos bilietą. Mūsų M-carbon laimėjo, mes paskelbėme savo rezultatus prestižiniame naujajame žurnale Scientific Reports, naujajame Gamtos grupės žurnale, o praėjus mėnesiui po teorinių rezultatų paskelbimo, tas pats žurnalas paskelbė didelės raiškos eksperimento rezultatus. pirmą kartą per 50 metų.gavo. Jeilio universiteto mokslininkai atliko didelės raiškos eksperimentą ir išbandė visas šias struktūras, ir paaiškėjo, kad tik M-carbon atitinka visus eksperimentinius duomenis. O dabar anglies formų sąraše yra dar vienas eksperimentiškai ir teoriškai nustatytas anglies alotropas – M-anglis.

Paminėsiu dar vieną alcheminį virsmą. Esant slėgiui, tikimasi, kad visos medžiagos virs metalu, anksčiau ar vėliau bet kuri medžiaga taps metalu. O kas atsitiks su medžiaga, kuri nuo pat pradžių yra metalinė? Pavyzdžiui, natrio. Natris yra visai ne tik metalas, o nuostabus metalas, aprašytas laisvųjų elektronų modeliu, tai yra, tai yra ribinis gero metalo atvejis. Kas atsitiks, jei natris bus išspaustas? Pasirodo, natris nebebus geras metalas – iš pradžių natris pavirs vienmačiu metalu, tai yra, elektra tekės tik viena kryptimi. Esant aukštesniam slėgiui prognozavome, kad natris išvis praras metališkumą ir pavirs į rausvai permatomą dielektriką, o dar labiau padidinus slėgį taps bespalvis, tarsi stiklas. Taigi - paimi sidabrinį metalą, suspaudi - iš pradžių pavirsta į blogą metalą, juodą kaip anglis, spaudžiate toliau - virsta rausvu permatomu kristalu, kuris atrodo kaip rubinas, o paskui tampa baltas kaip stiklas. Mes tai numatėme, o žurnalas „Nature“, kur jį išsiuntėme, atsisakė tai skelbti. Redaktorius per kelias dienas grąžino tekstą ir pasakė: netikime, tai per daug egzotika. Mes radome eksperimentuotoją Michailą Eremtsą, kuris buvo pasirengęs patikrinti šią prognozę, ir štai rezultatas. Esant 110 gigapaskalių, tai yra 1,1 milijono atmosferų, tai vis dar yra sidabrinis metalas; 1,5 milijono atmosferų – anglies juodas, blogas metalas. Esant 2 milijonams atmosferų, tai skaidrus, rausvas nemetalas. Ir jau su šiuo eksperimentu mes labai lengvai paskelbėme savo rezultatus. Tai, beje, gana egzotiška materijos būsena, nes elektronai nebesitepa erdvėje (kaip metaluose) ir nėra lokalizuoti ant atomų ar ryšių (kaip joninėse ir kovalentinėse medžiagose) – valentinių elektronų, kurie užtikrino metališkumą. iki natrio, yra įstrigę tuštumose, kur nėra atomų, ir jie yra labai stipriai lokalizuoti. Tokia medžiaga gali būti vadinama elektrodu, t.y. druska, kur neigiamo krūvio jonų, anijonų, vaidmenį atlieka ne atomai (tarkim, fluoras, chloras, deguonis), o elektronų tankio ryšuliai, o mūsų natrio forma yra paprasčiausias ir ryškiausias žinomas elektrodo pavyzdys.

Galite naudoti tokius skaičiavimus, kad suprastumėte žemės ir planetos vidaus esmę. Apie žemės vidaus būklę daugiausia sužinome iš netiesioginių duomenų, iš seismologinių duomenų. Žinome, kad yra metalinė, daugiausia geležinė, Žemės šerdis ir nemetalinis apvalkalas, susidedantis iš magnio silikatų, vadinamas mantija, o pačiame paviršiuje yra plona žemės pluta, ant kurios mes gyvename ir kuri mes žinome labai gerai. O Žemės vidus mums beveik visiškai nežinomas. Tiesioginiais bandymais galime ištirti tik patį Žemės paviršių. Giliausias gręžinys yra Kolos supergilas, jo gylis 12,3 kilometro, išgręžtas SSRS, toliau niekas negalėjo gręžti. Amerikiečiai bandė gręžti, žlugo dėl šio projekto ir jį sustabdė. Į SSRS investavo milžiniškas sumas, išgręžė iki 12 kilometrų, tada įvyko perestroika, projektas buvo įšaldytas. Tačiau Žemės spindulys yra 500 kartų didesnis, ir net Kolos supergilus gręžinys išgręžė tik patį planetos paviršių. Tačiau Žemės gelmių substancija lemia Žemės veidą: žemės drebėjimai, vulkanizmas, žemynų dreifas. Žemės šerdyje susidaro magnetinis laukas, kurio mes niekada nepasieksime. Išlydyto išorinio Žemės šerdies konvekcija yra atsakinga už Žemės magnetinio lauko susidarymą. Beje, vidinė Žemės šerdis yra kieta, o išorinė – išlydyta, tai kaip šokoladiniai saldainiai su išlydytu šokoladu, o viduje yra riešutas – taip galima įsivaizduoti Žemės šerdį. Kietosios Žemės mantijos konvekcija yra labai lėta, jos greitis yra apie 1 centimetrą per metus; karštesnės srovės kyla aukštyn, šaltesnės leidžiasi žemyn, o tai yra konvekcinis Žemės mantijos judėjimas ir yra atsakingas už žemynų dreifą, vulkanizmą, žemės drebėjimus.

Svarbus klausimas – kokia temperatūra yra Žemės centre? Mes žinome slėgį iš seismologinių modelių, tačiau šie modeliai nepateikia temperatūros. Temperatūra apibrėžiama taip: žinome, kad vidinė šerdis yra kieta, išorinė – skysta, o šerdis pagaminta iš geležies. Taigi, jei žinote geležies lydymosi temperatūrą tame gylyje, žinote ir šerdies temperatūrą tame gylyje. Buvo atlikti eksperimentai, bet jie davė 2 tūkstančių laipsnių neapibrėžtį, buvo atlikti skaičiavimai, ir skaičiavimai užbaigė šį klausimą. Geležies lydymosi temperatūra ties vidinės ir išorinės šerdies riba buvo apie 6,4 tūkst. Kelvino laipsnių. Tačiau geofizikams sužinojus apie šį rezultatą, paaiškėjo, kad ši temperatūra yra per aukšta, kad būtų galima teisingai atkurti Žemės magnetinio lauko charakteristikas – ši temperatūra per aukšta. Ir tada fizikai prisiminė, kad iš tikrųjų branduolys nėra gryna geležis, o jame yra įvairių priemaišų. Kol kas tiksliai nežinome, kurios, bet tarp kandidatų yra deguonis, silicis, siera, anglis, vandenilis. Varijuojant įvairias priemaišas, lyginant jų poveikį, buvo galima suprasti, kad lydymosi temperatūrą reikia sumažinti apie 800 laipsnių. 5600 laipsnių Kelvino yra tokia temperatūra ties vidinio ir išorinio Žemės branduolių riba, ir šis įvertinimas šiuo metu yra visuotinai priimtas. Šis priemaišų temperatūros mažinimo efektas, eutektinis lydymosi temperatūros sumažinimas, yra gerai žinomas, dėl šio poveikio mūsų batai kenčia žiemą – keliai barstomi druska, kad sumažėtų sniego tirpimo temperatūra, dėl šio kieto sniego ledas virsta skysta būsena, o mūsų batai kenčia nuo šio sūraus vandens.

Tačiau bene galingiausias to paties reiškinio pavyzdys yra Wood lydinys – lydinys, susidedantis iš keturių metalų, yra bismuto, švino, alavo ir kadmio, kiekvienas iš šių metalų turi santykinai aukštą lydymosi temperatūrą, tačiau abipusio mažėjimo efektas. lydymosi temperatūra veikia tiek, kad Woodo lydinys išsilydo verdančiame vandenyje. Kas nori patirti šią patirtį? Beje, šį Wood's lydinio pavyzdį pirkau Jerevane juodojoje rinkoje, kas tikriausiai suteiks šiai patirčiai papildomo skonio.

Įpilkite verdančio vandens, kol laikysiu Vudo lydinį, ir pamatysite, kaip Vudo lydinio lašai krenta į stiklinę.

Lašai krenta – užtenka. Jis tirpsta karšto vandens temperatūroje.

Ir šis poveikis atsiranda Žemės šerdyje, dėl to sumažėja geležies lydinio lydymosi temperatūra. Bet dabar kitas klausimas: iš ko susideda šerdis? Žinome, kad yra daug geležies ir yra keletas lengvų priemaišų elementų, turime 5 kandidatus. Pradėjome nuo mažiausiai tikėtinų kandidatų – anglies ir vandenilio. Turiu pasakyti, kad iki šiol mažai žmonių atkreipė dėmesį į šiuos kandidatus, abu buvo laikomi mažai tikėtinais. Nusprendėme tai patikrinti. Su Maskvos valstybinio universiteto darbuotoja Zulfiya Bazhanova nusprendėme imtis šio verslo, numatyti stabilias struktūras ir stabilias geležies karbidų ir hidridų kompozicijas Žemės šerdies sąlygomis. Taip padarėme ir su siliciu, kur ypatingų netikėtumų neradome – o dėl anglies paaiškėjo, kad tie junginiai, kurie daugelį dešimtmečių buvo laikomi stabiliais, tiesą sakant, esant Žemės branduolio slėgiui, pasirodo, yra nestabilūs. Ir pasirodo, kad anglis yra labai geras kandidatas, tiesą sakant, vien anglis gali idealiai paaiškinti daugelį vidinės Žemės šerdies savybių, priešingai nei ankstesniame darbe. Vandenilis pasirodė gana prastas kandidatas, vien vandenilis negali paaiškinti nė vienos Žemės šerdies savybės. Vandenilio gali būti nedideliais kiekiais, tačiau jis negali būti pagrindinis priemaišų elementas Žemės šerdyje. Dėl vandenilio hidridų, veikiamų slėgio, radome staigmeną – paaiškėjo, kad yra stabilus junginys, kurio formulė prieštarauja mokyklos chemijai. Įprastas vandenilio hidridų formulės chemikas rašys kaip FeH 2 ir FeH 3, paprastai kalbant, FeH atsiranda esant slėgiui, ir jie su tuo susitaikė – bet faktas, kad FeH 4 gali atsirasti esant slėgiui, buvo tikras netikėtumas. Jei mūsų vaikai mokykloje parašys formulę FeH 4, garantuoju, kad jie gaus blogą chemijos pažymį, greičiausiai net ketvirtį. Bet pasirodo, kad spaudžiant pažeidžiamos chemijos taisyklės – ir atsiranda tokių egzotiškų junginių. Bet, kaip sakiau, geležies hidridai vargu ar bus svarbūs Žemės vidui, mažai tikėtina, kad vandenilio ten yra dideli kiekiai, bet greičiausiai yra anglies.

Ir pabaigai paskutinė iliustracija apie Žemės mantiją, tiksliau, apie ribą tarp šerdies ir mantijos, vadinamąjį „D“ sluoksnį, kuris turi labai keistų savybių. Viena iš savybių buvo seisminių bangų, garso bangų sklidimo anizotropija: vertikalia kryptimi ir horizontalia kryptimis greičiai labai skiriasi. Kodėl taip yra? Ilgą laiką nebuvo įmanoma suprasti. Pasirodo, sluoksnyje, esančiame ties Žemės šerdies ir mantijos riba, susidaro nauja magnio silikato struktūra. Mums pavyko tai suprasti prieš 8 metus. Tuo pačiu metu mes ir mūsų kolegos iš japonų žurnale „Science and Nature“ paskelbėme 2 straipsnius, kurie įrodė šios naujos struktūros egzistavimą. Iš karto matyti, kad ši struktūra skirtingomis kryptimis atrodo visiškai skirtingai, o jos savybės turėtų skirtis skirtingomis kryptimis – įskaitant elastines savybes, kurios yra atsakingos už garso bangų sklidimą. Šios struktūros pagalba buvo galima paaiškinti visas tas fizines anomalijas, kurios buvo atrastos ir kėlė rūpesčių daug daug metų. Jie netgi sugebėjo pateikti keletą prognozių.

Visų pirma mažesnėse planetose, tokiose kaip Merkurijus ir Marsas, nebus tokio sluoksnio kaip D “. Nebus pakankamai spaudimo stabilizuoti šią struktūrą. Taip pat buvo galima numatyti, kad Žemei vėsstant šis sluoksnis turėtų augti, nes mažėjant temperatūrai didėja postperovskito stabilumas. Gali būti, kad susiformuojant Žemei šio sluoksnio iš viso nebuvo, tačiau jis gimė ankstyvoje mūsų planetos vystymosi fazėje. Ir dabar visa tai galima suprasti dėka naujų kristalinių medžiagų struktūrų prognozių.

Klausytojų atsakymas: Dėl genetinio algoritmo.

Artemas Oganovas: Taip, nors ši paskutinė istorija apie postperovskitą buvo prieš šio evoliucinio metodo išradimą. Beje, ji mane paskatino išrasti šį metodą.

Klausytojų atsakymas: Taigi 100 metų šio genetinio algoritmo, kuris tiesiog to nepadarė.

Artemas Oganovas:Šį algoritmą sukūriau aš ir mano magistrantas 2006 m. Beje, neteisinga tai vadinti „genetiniu“, teisingesnis pavadinimas yra „evoliucija“. Evoliuciniai algoritmai atsirado aštuntajame dešimtmetyje ir buvo pritaikyti daugelyje technologijų ir mokslo sričių. Pavyzdžiui, automobiliai, laivai ir lėktuvai – jie optimizuojami naudojant evoliucinius algoritmus. Tačiau kiekvienos naujos užduoties evoliucinis algoritmas yra visiškai kitoks. Evoliuciniai algoritmai yra ne vienas metodas, o didžiulė metodų grupė, visa didžiulė taikomosios matematikos sritis ir kiekvienai naujai problemos rūšiai turi būti išrastas naujas požiūris.

Klausytojų atsakymas: Kokia matematika? Genetika yra.

Artemas Oganovas: Tai ne genetika – tai matematika. Ir kiekvienai naujai užduočiai reikia sugalvoti naują algoritmą nuo nulio. Ir žmonės iš tikrųjų prieš mus bandė išrasti evoliucinius algoritmus ir pritaikyti juos kristalų struktūroms numatyti. Tačiau jie per daug pažodžiui priėmė kitų sričių algoritmus – ir tai nepasiteisino, todėl turėjome nuo nulio sukurti naują metodą, kuris pasirodė labai galingas. Nors evoliucinių algoritmų sritis gyvuoja taip pat ilgai, kaip ir aš, bent jau nuo 1975 m., norint sukurti darbo metodą prireikė daug pastangų nuspėti kristalų struktūras.

Visi šie pavyzdžiai, kuriuos jums pateikiau, parodo, kaip medžiagos struktūros supratimas ir gebėjimas numatyti medžiagos struktūrą leidžia kurti naujas medžiagas, kurios gali turėti įdomių optinių, mechaninių ir elektroninių savybių. Medžiagos, sudarančios Žemės ir kitų planetų žarnas. Tokiu atveju, naudodami šiuos metodus, kompiuteryje galite išspręsti daugybę įdomių problemų. Didžiulį indėlį kuriant šį metodą ir jo taikymą įnešė mano kolegos ir daugiau nei 1000 mūsų metodo vartotojų įvairiose pasaulio vietose. Visi šie žmonės ir šios paskaitos organizatoriai bei Jūs – už dėmesį – leiskite nuoširdžiai Jums padėkoti.

Paskaitos diskusija

Borisas Dolginas: Labai ačiū! Labai ačiū, Artiomai, labai ačiū organizatoriams, kurie suteikė mums platformą šiai viešų paskaitų versijai, labai ačiū RVC, kuris palaikė mus šioje iniciatyvoje, esu tikras, kad Artiomo tyrimai tęsis, reiškia, kad atsiras nauja medžiaga jo paskaitai pas mus, čia , nes turiu pasakyti, kad dalis to, kas buvo girdima šiandien, iš tikrųjų neegzistavo ankstesnių paskaitų metu, todėl tai prasminga.

Klausimas iš auditorijos: Prašau pasakyti, kaip užtikrinti kambario temperatūrą esant tokiam aukštam slėgiui? Bet kokią plastinių deformacijų sistemą lydi šilumos išsiskyrimas. Deja, to nepaminėjai.

Artemas Oganovas: Esmė ta, kad viskas priklauso nuo to, kaip greitai suspaudžiate. Jei suspaudimas atliekamas labai greitai, pavyzdžiui, smūginėse bangose, tai būtinai lydi kaitinimas, staigus suspaudimas būtinai padidina temperatūrą. Jei suspaudžiate jį lėtai, pakanka laiko, kad mėginys pasikeistų šiluma su aplinka ir pasiektų šiluminę pusiausvyrą su aplinka.

Klausimas iš auditorijos: Ir ar jūsų diegimas leido tai padaryti?

Artemas Oganovas: Eksperimentą atlikau ne aš, atlikau tik skaičiavimus ir teoriją. Į eksperimentą neprisileidžiu dėl vidinės cenzūros. O eksperimentas buvo atliktas kamerose su deimantiniais priekalais, kur tarp dviejų mažų deimantų įspaudžiamas mėginys. Tokiuose eksperimentuose mėginys turi tiek laiko pasiekti šiluminę pusiausvyrą, kad klausimas čia nekyla.

1. 1. Kompiuterinis naujų medžiagų projektavimas: svajonė ar realybė? Artemas Oganovas (ARO) (1) Geomokslų katedra (2) Fizikos ir astronomijos katedra (3) Niujorko skaičiavimo mokslų centras State University of New York, Stony Brook, NY 11794-2100 (4) Maskvos valstybinis universitetas, Maskva, 119992, Rusija.
2. 2. Medžiagos sandara: atomai, molekulės Senovės žmonės spėjo, kad materija susideda iš dalelių: „kai jis (Dievas) nesukūrė nei žemės, nei laukų, nei pradinių visatos dulkių dalelių“ (Patarlių 8:26) (taip pat - Epikūras, Lukrecijaus automobilis, senovės indėnai, ...) 1611 m. I. Kepleris pasiūlė, kad snaigių ledo formos struktūrą lemia jų atominė struktūra
3. 3. Medžiagos sandara: atomai, molekulės, kristalai 1669 m. - kristalografijos gimimas: Nikolajus Stenonas suformuluoja pirmąjį kiekybinį kristalografijos dėsnį „Kristalografija ... yra neproduktyvi, egzistuoja tik sau, neturi pasekmių ... nebūdamas iš tikrųjų reikalingas bet kur, jis susiformavo jūsų viduje. Jis teikia protui tam tikrą ribotą pasitenkinimą, o jo detalės tokios įvairios, kad ją galima pavadinti neišsemiama; Štai kodėl jis taip atkakliai ir taip ilgai vargina net geriausius žmones“ (IV Goethe, kristalografas mėgėjas, 1749–1832) Ludwigas Boltzmannas (1844–1906) – didis austrų fizikas, visas savo teorijas kūręs remdamasis atomų sampratomis. Atomizmo kritika privertė jį nusižudyti 1906 m. 1912 m. hipotezę apie atominę materijos sandarą įrodė Maxo von Laue eksperimentai.
4. 4. Struktūra – medžiagų savybių ir elgesio supratimo pagrindas (iš http://nobelprize.org) Cinko mišinys ZnS. Viena pirmųjų Braggso išspręstų struktūrų 1913 m. Netikėk: struktūroje NĖRA ZnS molekulių!
5. 5. Rentgeno spindulių difrakcija yra pagrindinis kristalų struktūros eksperimentinio nustatymo metodas Struktūra Difrakcijos schema
6. 6. Struktūros ir difrakcijos modelio ryšys Kokie bus šių "struktūrų" difrakcijos modeliai?
7. 7. Eksperimento triumfai - neįtikėtinai sudėtingų kristalų struktūrų nustatymas Netinkamos fazės Elementų kvazikristalai Baltymai (Rb-IV, U.Schwarz'99) Nauja materijos būsena, atrasta 1982 m. Gamtoje rasta tik 2009 m.! 2011 m. Nobelio premija!
8. 8. Medžiagos būsenos Kristalinis Kvazikristalinis Amorfinis Skystis Dujinis („Minkštoji medžiaga“ – polimerai, skystieji kristalai)
9. 9. Atominė sandara yra svarbiausia medžiagos savybė. Ją žinant galima numatyti medžiagos savybes ir jos elektroninę sandarą.Teorija Exp. C11 493 482 C22 546 537 C33 470 485 C12 142 144 C13 146 147 C23 160 146 C44 212 204 C55 186 186 186 186 186 186 MgS49 C61O3 per MgS49iO 186 MgS
10. 10. Keletas istorijų 4. Žemės vidaus medžiagos 3. Medžiagos iš kompiuterio 2. Ar galima nuspėti kristalinę1. Apie struktūros, struktūros ir savybių ryšį
11. 11. Kodėl ledas lengvesnis už vandenį Ledo struktūroje yra didelių tuščių kanalų, kurių skystame vandenyje nėra. Dėl šių tuščių kanalų ledas yra lengvesnis už ledą.
12. 12. Dujų hidratai (klatratai) – ledas pripildytas svečių molekulių (metano, anglies dioksido, chloro, ksenono ir kt.) Publikacijų apie klatratus skaičius Didžiulės metano hidrato sankaupos – energetikos sektoriaus viltis ir išsigelbėjimas? Esant žemam slėgiui, metanas ir anglies dioksidas sudaro klatratus – 1 litre klatrato yra 168 litrai dujų! Metano hidratas atrodo kaip ledas, bet dega išskirdamas vandenį. CO2 hidratas – anglies dioksido saugojimo forma? Ksenono anestezijos mechanizmas yra He-hidrato susidarymas, kuris blokuoja nervinių signalų perdavimą į smegenis (Pauling, 1951).
13. 13. Mikroporingos medžiagos chemijos pramonei ir aplinkos valymui Ceolitai yra mikroporingi aliuminio silikatai. pramonė Istoriniai apsinuodijimo sunkiaisiais metalais pavyzdžiai: Qin Shi Huangdi Ivanas IV Siaubingas "Liga Neronas (37-68) Švinas (259 - 210 m. pr. Kr.) (1530-1584) Beprotiškas apsinuodijimas: kepurininkas" agresija, demencija
14. 14. Nauji ir seni superlaidininkai Reiškinys buvo atrastas 1911 metais Kamerling-Onnes Superlaidumo teorija yra 1957 (Bardeen, Cooper, Schrieffer), bet nėra teorijos apie aukščiausios temperatūros superlaidininkus (Bednorz, Muller, 1986)! Galingiausi magnetai (MRT, masės spektrometrai, dalelių greitintuvai) Traukiniai su magnetine levitacija (430 km/val.)
15. 15. Staigmena: superlaidžios anglies priemaišos formos 1,14 1 Tc  exp [] kB g (E F) V Legiruotas grafitas: KC8 (Tc = 0,125 K), CaC6 (Tc = 11 K). B legiruotas deimantas: Tc = 4 K. Legiruoti fullerenai: RbCs2C60 (Tc = 33 K) Molekulės molekulė Fullereno C60 fullerito kristalų sandara ir išvaizda Superlaidumas organiniuose kristaluose žinomas nuo 1979 metų (Bechgaard, 1979).
16. 16. Kaip medžiagos gali gelbėti arba sunaikinti Žemoje temperatūroje alavas patiria fazinį perėjimą – „alavo marą“. 1812 m. – pasak legendos, Napoleono žygis į Rusiją mirė dėl skardinių sagų ant jų uniformų! 1912 m. – žuvo kapitono R.F. ekspedicija. Scottas į Pietų ašigalį, kuris buvo priskirtas „alavo marui“. Pirmos eilės perėjimas prie 13 0C Balta skarda: 7,37 g / cm3 Pilka skarda: 5,77 g / cm3
17. 17. Formos atminties lydiniai 1 2 3 4 1- prieš deformaciją 3- po kaitinimo (20 °C) (50 °C) 2- po deformacijos 4- po aušinimo (20 °C) (20 °C) Pavyzdys: NiTi ( nitinolis ) Taikymas: šuntai, dantų breketai, naftotiekių ir orlaivių variklių elementai
18. 18. Optinių savybių stebuklai Pleochroizmas (kordieritas) - Amerikos ir JAV oro pajėgų navigacijos atradimas Šviesos dvilydis (kalcitas) Aleksandrito efektas (chrizoberilas) Lycurgus dubuo (stiklas su nanodalelėmis)
19. 19. Apie spalvos pobūdį Bangos ilgis, Å Spalva Papildoma spalva 4100 Violetinė Citrininė Geltona 4300 Indigo Geltona 4800 Mėlyna Oranžinė 5000 Mėlynai žalia Raudona 5300 Žalia Violetinė 5600 Citrinų Geltona Violetinė 5800 Geltona Indigo Mėlyna 6100 Oranžinė Mėlyna 6100 Oranžinė
20. 20. Spalva priklauso nuo krypties (pleochroizmas). Pavyzdys: kordieritas (Mg, Fe) 2Al4Si5O18.
21. 21. 2. Kristalinių struktūrų numatymas Oganov A.R., Lyakhov A.O., Valle M. (2011). Kaip veikia evoliucinės kristalų struktūros numatymas – ir kodėl. Acc. Chem. Res. 44, 227-237.
22. 22. J. Maddox (Nature, 1988) Užduotis yra rasti GLOBALĮ Natoms of Variants Energy Time minimumą. 1 1 1 sek. Neįmanoma kartoti visų struktūrų: 10 1011 103 m. 20 1025 1017 m. 30 1039 1031 m. USPEX metodo apžvalga (ARO & Glass, J. Chem. Phys. 2006)
23. 23. Kaip su kengūros evoliucijos pagalba rasti Everestą? (nuotrauka iš R. Cleggo) Nusileidžiame kengūrų desantą ir leidžiame joms veistis (nerodoma dėl cenzūros priežasčių) .....
24. 24. Kaip su kengūros evoliucijos pagalba rasti Everestą? (nuotrauka iš R. Cleggo) Aaaargh! Och... ir karts nuo karto ateina medžiotojai ir išveža kengūras mažesniame aukštyje
25. 25.
26. 26. Evoliuciniai skaičiavimai „savaime mokosi“ ir sutelkia paieškas į įdomiausias erdvės sritis
27. 27. Evoliuciniai skaičiavimai „savaime mokosi“ ir sutelkia paieškas į įdomiausias erdvės sritis
28. 28. Evoliuciniai skaičiavimai „savaime mokosi“ ir sutelkia paieškas į įdomiausias erdvės sritis
29. 29. Evoliuciniai skaičiavimai „savaime mokosi“ ir sutelkia paieškas į įdomiausias erdvės sritis
30. 30. Alternatyvūs metodai: atsitiktinė paieška (Freeman & Catlow, 1992; van Eijck & Kroon, 2000; Pickard & Needs, 2006) Jokio „mokymosi“, veikia tik paprastoms sistemoms (iki 10–12 atomų). Dirbtinis atkaitinimas (Pannetier) 1990; Schön & Jansen 1996) Nėra „mokymosi“ metadinamikos (Martonak, Laio, Parrinello 2003) Tabu paieška sumažintoje erdvėje Minima hopping (Gödecker 2004) Naudoja skaičiavimo istoriją ir „savarankišką mokymąsi“. Genetiniai ir evoliuciniai algoritmai Bush (1995), Woodley (1999) - neefektyvus metodas kristalams. Deaven & Ho (1995) yra efektyvus nanodalelių metodas.
31. 31. USPEX (Universal Structure Predictor: Evolutionary Xtallography) (Atsitiktinė) pradinė populiacija Naujos kartos struktūros, pagamintos tik iš geriausių dabartinių struktūrų (1) Paveldimumas (3) Koordinatė (2) Grotelių mutacija (4) Permutacija
32. 32. Papildomos technikos – struktūros parametras „Piršto atspaudas“ Tvarkos gimimas iš chaoso evoliuciniame procese ["GOD = Generator Of Diversity" © S. Avetisyan] Vietinė tvarka – nurodo defektines sritis
33. 33. Bandymas: „Kas galėtų atspėti, kad grafitas yra stabilus anglies alotropas esant įprastam slėgiui?“ (Maddox, 1988) Trimatė sp2 struktūra, kurią R. Hoffmann (1983) pasiūlė kaip stabilią fazę esant 1 atm. Struktūros su žemu slėgiu sp3- energijos hibridizacija iliustruoja sp2 hibridizaciją anglies chemija sp hibridizacija (karbinas)
34. Bandymas: aukšto slėgio fazės taip pat atkuriamos teisingai 100 GPa: deimantas yra stabilus 2000 GPa: bc8 fazė yra stabili + nustatyta, kad metastabili fazė paaiškina metastabilią silicio bc8 fazę „superkietas grafitas“ (Kasper, 1964) (Li, ARO, Ma ir kt., PRL 2009)
35. 35. Atradimai, padaryti naudojant USPEX:
36. 36. 3. Medžiagos iš kompiuterio
37. 37. Naujų medžiagų atradimas: vis dar eksperimentinis bandymų ir klaidų metodas „Nepatyriau (dešimt tūkstančių) gedimų, o tik atradau 10 000 neveikiančių metodų“ (T.A. Edison)
38. 38. Ieškoti tankiausios medžiagos: ar galimos anglies modifikacijos tankesnės už deimantą? Taip Deimantų struktūra Deimantas turi mažiausią atominį tūrį ir didžiausią nesuspaudžiamumą tarp visų naujų struktūrų, elementų (ir junginių). tankesnis už deimantą! (Zhu, ARO ir kt., 2011)
39. 39. Anglies ir silicio dioksido (SiO2) formų analogija leidžia suprasti naujų anglies formų tankį Naujos struktūros, 1,1-3,2% tankesnės už deimantą, labai aukšti (iki 2,8!) Lūžio rodikliai ir šviesos dispersijos deimantas hP3 struktūra tP12 struktūra tI12 struktūra SiO2 kristobalitas SiO2 kvarcas SiO2 kititas aukšto slėgio SiS2 fazė
40. 40.
41. 41. Kiečiausias oksidas – TiO2? (Dubrovinsky ir kt., Nature 410, 653-654 (2001)) Nishio-Hamane (2010) ir Al-Khatatbeh (2009): suspaudimo modulis ~ 300 GPa, o ne 431 GPa. Lyakhov & ARO (2011): Slėgio eksperimentai yra labai sunkūs! Kietumas ne didesnis kaip 16 GPa! TiO2 yra minkštesnis nei stišovito SiO2 (33 GPa), B6O (45 GPa), korundo Al2O3 (21 GPa).
42. 42. Ar galimos anglies formos, kietesnės už deimantą? Ne . Medžiagos modelis Li Lyakhov Exp. Kietumas, entalpija ir kt. & ARO struktūra GPa eV / atomas (2009) (2011) deimanto 89,7 0,000 91,2 89,7 deimanto 90 Lonsdaleite 89,1 0,026 57,4 0,17 0,14 grafito C2 / m 84,3 0,163 TiO2 rutilinio 12,4 12,3 8-10 I4 / mmm 84,0 0,198 β-Si3N4 23,4 23,4 21 Cmcm 83.5 0.282SiO2 stišovitas 31.8 30.8 33 P2 / m 83.4 0.166 I212121 82.9 0.784 Fmmm 82.2 0.322 are hibridizacija pagrįstu3 kietumu1 Pmcm 82.0 0.224
43. 43. Šaltas grafito suspaudimas suteikia M-anglį, o ne deimantą! M-karbonas buvo pasiūlytas 2006. 2010-2012 m. buvo pasiūlyta dešimtys alternatyvių struktūrų (W-, R-, S-, Q-, X-, Y-, Z-anglis ir kt.) M-anglį patvirtina naujausi eksperimentai M-anglis lengviausiai susidaro iš grafitas grafitas bct4-anglies grafitas M -anglies grafitas deimantas
44. 44. M-anglis – nauja anglies deimanto-grafito lonsdaleito forma Teorinė anglies M-anglies fullerenų karabinų fazių diagrama
45. 45. Gamtoje esanti slėginė medžiaga P.W. 1946 m. ​​Bridgmano Nobelio premijos laureatas (fizika) 200 kartų skalė: 100 GPa = 1 Mbar =
46. Neptūnas turi vidinį šilumos šaltinį – bet iš kur atsiranda CH4? Uranas ir Neptūnas: H2O: CH4: NH3 = 59:33:8. Neptūnas turi vidinį energijos šaltinį (Hubbard'99). Ross'81 (ir Benedetti'99): CH4 = C (deimantas) + 2H2. Krintantis deimantas – pagrindinis Neptūno šilumos šaltinis? Teorija (Ancilotto'97; Gao '2010) tai patvirtina. metano angliavandeniliai deimantas
47. 47. Boras yra tarp metalų ir nemetalų, o jo unikalios struktūros yra jautrios B priemaišoms, temperatūrai ir slėgiui alfa-B beta-B T-192
48. 48. Boro atradimo ir tyrimų istorija kupina ginčų ir detektyvinių vingių.B 1808: J.L.Gay-Lussac ir H.Davy paskelbė atradę naują elementą – borą.J.L. Gay-Lussac H. Davy 1895: H. Moissan įrodė, kad jų atrastose medžiagose boro yra ne daugiau kaip 50-60 %. Tačiau Moissan medžiaga taip pat pasirodė esanti junginys, kuriame boro kiekis yra mažesnis nei 90%. H. Moissan 1858: F. Wöhleris aprašė 3 boro modifikacijas – „deimantas“, „grafitas“ ir „panašus į anglį“. Visi trys pasirodė esantys junginiai (pavyzdžiui, AlB12 ir B48C2Al). 2007: paskelbta ~ 16 kristalų modifikacijų (ar dauguma jų yra junginiai?). Nežinoma, kuri forma yra stabiliausia. F. Wöhleris
49. 49. Boras, veikiamas slėgio, sudaro iš dalies joninę struktūrą! B 2004: Chenas ir Soloženko: susintetino naują boro modifikaciją, bet negalėjo išspręsti jos struktūros. 2006: Oganovas: apibrėžė struktūrą, įrodė jos stabilumą. 2008 m.: Soloženko, Kurakevičius, Oganovas – ši fazė yra viena iš kiečiausių žinomų medžiagų (kietumas 50 GPa). Rentgeno spindulių difrakcija. Į viršų – teorija, apačioje – eksperimentas Gama boro struktūra: (B2) δ + (B12) δ-, δ = + 0,5 (ARO ir kt., Nature 2009) Stabiliausio (kairėje) ir mažiausiai (dešinėje) pasiskirstymas elektronų.
50. 50. Pirmoji boro fazės diagrama – po 200 metų tyrimų! B Boro fazės diagrama (ARO ir kt., Nature 2009)
51. 51. Natris yra metalas, puikiai apibūdinamas laisvųjų elektronų modeliu
52. 52. Esant slėgiui natris keičia savo esmę – „alcheminė transformacija“ Na 1807: Natrio atradimas Humphrey Davy. 2002: Hanfland, Syassen ir kt. - pirmasis itin sunkios chemijos požymis H. Davy natrio slėgis didesnis nei 1 Mbar. Grigaliai (2008) – išsamesni duomenys. Esant slėgiui, natris iš dalies tampa d-metalu!
53. 53. Mes numatėme naują struktūrą, kuri yra permatoma nemetalinė! Natris tampa skaidrus esant ~ 2 Mbar slėgiui (Ma, Eremets, ARO ir kt., Nature 2009) Elektronai yra lokalizuoti struktūros „tuščioje erdvėje“, todėl suspaustas natris yra nemetalas.
54. Mineralų tyrimas yra ne tik estetinis malonumas, bet ir praktiškai bei iš esmės svarbi mokslo kryptis Priemaišų lydymosi temperatūros mažinimo poveikis Medienos lydinys - lydosi 70 C temperatūroje. Bi-Pb-Sn-Cd-In-Tl lydinys - esant 41,5 C!
55. 64. O kokia yra vidinės Žemės šerdies sudėtis? Šerdis yra šiek tiek mažiau tanki nei gryna geležis. Fe šerdyje lydinyje su lengvaisiais elementais, tokiais kaip S, Si, O, C, H. Nauji junginiai (FeH4!) Prognozuojami Fe-C ir Fe-H sistemose. Anglies šerdyje gali būti dideli kiekiai [Bazhanova, Oganov, Dzhanola, UFN 2012]. Anglies procentas vidinėje šerdyje, reikalingas jos tankiui paaiškinti
56. 65. D "sluoksnio (2700-2890 km) prigimtis ilgą laiką liko paslaptis. D" yra karštų mantijos srautų šaknis. Manoma, kad MgSiO3 bus ~ 75 tūrio % D "sluoksnio keistumas: seisminis. plyšimas, anizotropija Prisiminkite kordierito spalvos anizotropiją!
57. 66. Atsakymas yra naujo mineralo MgSiO3 postperovskito egzistavimas D sluoksnyje "(2700-2890 km) D fazės diagrama" MgSiO3 plyšimas Paaiškina D sluoksnio egzistavimą, leidžia apskaičiuoti jo temperatūrą. perovskitas kaip Žemė atvėsina D „nėra Merkurijuje ir Marse Numatyta nauja mineralų šeima Patvirtinimas – Tschauner (2008)
58. 67. Materijos sandara yra raktas į pasaulio supratimą 4. Planetos vidaus supratimas gilėja 3. Kompiuteris išmoksta numatyti naujas medžiagas 2. Jau galima nuspėti kristalų struktūras1. Struktūra apibrėžia savybes
59. 68. Padėka: Mano studentai, magistrantai ir doktorantai: A. Lyakhovas Y. Ma S. E. Boulfelfel C.W. Glass Q. Zhu Y. Xie Kolegos iš kitų laboratorijų: F. Zhang (Pertas, Australija) C. Gatti (U. Milano, Italija) G. Gao (Jilino universitetas, Kinija) A. Bergara (JAV Baskų kraštas, Ispanija) I. Errea (JAV Baskų kraštas, Ispanija) M. Martinez-Canales (UCL, JK) C. Hu (Guilinas, Kinija) M. Salvado ir P. ​​Pertierra (Oviedo, Ispanija) VL Soloženko (Paryžius) D.Yu. Puščarovskis, V.V. Bražkinas (Maskva) USPEX programos naudotojai (> 1000 žmonių) – http://han.ess.sunysb.edu/~USPEX

Stabiliausios struktūros paieškos esmė yra apskaičiuojant mažiausią energiją turinčios materijos būseną. Energija šiuo atveju priklauso nuo atomų, sudarančių tiriamą kristalą, branduolių ir elektronų elektromagnetinės sąveikos. Jį galima įvertinti naudojant kvantinius mechaninius skaičiavimus, pagrįstus supaprastinta Schrödingerio lygtimi. Taigi naudojamas USPEX algoritmas tankio funkcinė teorija, kuri išsivystė praėjusio amžiaus antroje pusėje. Jo pagrindinis tikslas – supaprastinti molekulių ir kristalų elektroninės struktūros skaičiavimus. Teorija leidžia pakeisti daugelio elektronų bangų funkciją elektronų tankiu, išlaikant formaliai tikslią (tačiau iš tikrųjų aproksimacijos yra neišvengiamos). Praktiškai tai sumažina skaičiavimų sudėtingumą ir dėl to laiką, kuris bus skirtas jiems atlikti. Taigi kvantiniai mechaniniai skaičiavimai yra derinami su USPEX evoliuciniu algoritmu (2 pav.). Kaip veikia evoliucinis algoritmas?

Mažiausios energijos struktūrų paieška gali būti išvardinta: atsitiktinai išdėstykite atomus vienas kito atžvilgiu ir analizuokite kiekvieną tokią būseną. Bet kadangi variantų skaičius didžiulis (net jei atomų yra tik 10, jų išsidėstymo galimybės vienas kito atžvilgiu bus apie 100 mlrd.), skaičiavimas užtruktų per ilgai. Todėl mokslininkams pavyko pasiekti sėkmės tik sukūrus gudresnį metodą. USPEX algoritmas pagrįstas evoliuciniu požiūriu (2 pav.). Pirma, atsitiktinai sugeneruojamas nedidelis skaičius struktūrų ir apskaičiuojama jų energija. Sistema pašalina didžiausią energiją turinčius, tai yra mažiausiai stabilius, variantus, o iš stabiliausių sugeneruoja panašius ir jau juos apskaičiuoja. Tuo pačiu metu kompiuteris ir toliau atsitiktinai generuoja naujas struktūras, kad išlaikytų populiacijos įvairovę, kuri yra esminė sėkmingos evoliucijos sąlyga.

Taigi iš biologijos paimta logika padėjo išspręsti kristalų struktūrų numatymo problemą. Sunku pasakyti, kad šioje sistemoje yra genas, nes naujos struktūros gali skirtis nuo savo pirmtakų labai skirtingais parametrais. Labiausiai prisitaikę prie atrankos sąlygų „individai“ palieka palikuonis, tai yra, algoritmas, mokydamasis iš savo klaidų, maksimaliai padidina sėkmės tikimybę kitam bandymui. Sistema greitai suranda mažiausią energiją turintį variantą ir efektyviai apskaičiuoja situaciją, kai struktūriniame vienete (ląstelėje) yra dešimtys ir net pirmieji šimtai atomų, o ankstesni algoritmai negalėjo susidoroti su dešimčia.

Vienas iš naujų iššūkių, su kuriuo susiduria USPEX Maskvos fizikos ir technologijos institute, yra numatyti tretinę baltymų struktūrą pagal jų aminorūgščių seką. Ši šiuolaikinės molekulinės biologijos problema yra viena iš pagrindinių. Apskritai mokslininkų užduotis yra labai sunki ir dėl to, kad sunku apskaičiuoti tokios sudėtingos molekulės, kaip baltymas, energiją. Artemo Oganovo teigimu, jo algoritmas jau sugeba numatyti peptidų, kurių ilgis yra apie 40 aminorūgščių, struktūrą.

Video 2. Polimerai ir biopolimerai. Kokios medžiagos yra polimerai? Kokia polimero struktūra? Kaip dažnai naudojamos polimerinės medžiagos? Apie tai kalba profesorius, kristalografijos mokslų daktaras Artemas Oganovas.

USPEX paaiškinimas

Viename iš mokslo populiarinimo straipsnių Artemas Oganovas (3 pav.) USPEX aprašo taip:

„Čia yra ryškus pavyzdys, parodantis bendrą idėją. Įsivaizduokite, kad jums reikia rasti aukščiausią kalną nežinomos planetos paviršiuje, kuriame karaliauja visiška tamsa. Taupant išteklius svarbu suprasti, kad mums reikia ne pilno reljefo žemėlapio, o tik aukščiausios jo vietos.

3 pav. Artemas Romajevičius Oganovas

Planetoje nusileidžiate nedideliam biorobotų puolimui, siunčiant juos po vieną į savavališkas vietas. Instrukcija, kurios turi laikytis kiekvienas robotas, yra vaikščioti paviršiumi prieš gravitacinės traukos jėgas ir galiausiai pasiekti artimiausios kalvos viršūnę, kurios koordinates jis turi pranešti orbitinei bazei. Dideliam tyrimų kontingentui lėšų neturime, o tikimybė, kad vienas iš robotų tuoj pat įkops į aukščiausią kalną – itin maža. Tai reiškia, kad būtina taikyti gerai žinomą Rusijos karo mokslo principą: „kovok ne pagal skaičių, o pagal įgūdžius“, kuris čia įgyvendinamas evoliucinio požiūrio forma. Turėdami artimiausią kaimyną, robotai susitinka ir atkuria savo rūšį, pastatydami juos išilgai linijos tarp „savo“ viršūnių. Biorobotų palikuonys vykdo tuos pačius nurodymus: jie juda reljefo aukščio kryptimi, tyrinėdami plotą tarp dviejų savo „tėvų“ viršūnių. Tie „individai“, kurie rado viršūnes žemiau vidutinio lygio, yra atšaukiami (taip atliekama atranka) ir atsitiktinai nuleidžiami iš naujo (taip modeliuojamas populiacijos „genetinės įvairovės“ palaikymas).

Kaip įvertinti klaidą, su kuria veikia USPEX? Galite išspręsti problemą su žinomu teisingu atsakymu ir savarankiškai ją išspręsti 100 kartų naudodami algoritmą. Jei teisingas atsakymas bus gautas 99 atvejais, tada skaičiavimo klaidos tikimybė bus 1%. Paprastai teisingos prognozės gaunamos su 98–99% tikimybe, kai atomų skaičius vienetinėje ląstelėje yra 40.

Evoliucinis USPEX algoritmas paskatino daug įdomių atradimų ir netgi sukūrė naują vaisto dozavimo formą, kuri bus aptarta toliau. Įdomu, kas bus, kai pasirodys naujos kartos superkompiuteriai? Ar kristalų struktūros numatymo algoritmas pasikeis iš esmės? Pavyzdžiui, kai kurie mokslininkai kuria kvantinius kompiuterius. Ateityje jie bus daug efektyvesni už pažangiausius šiuolaikinius. Artemo Oganovo teigimu, evoliuciniai algoritmai išsaugos lyderio pozicijas, tačiau pradės veikti greičiau.

Laboratorinių darbų sritys: nuo termoelektrikų iki vaistų

USPEX pasirodė esąs ne tik efektyvus, bet ir daugiafunkcinis algoritmas. Šiuo metu, vadovaujant Artiomui Oganovui, vykdoma daug mokslinių darbų įvairiomis kryptimis. Kai kurie naujausi projektai yra bandymai modeliuoti naujas termoelektrines medžiagas ir numatyti baltymų struktūrą.

„Turime keletą projektų, vienas iš jų – mažų matmenų medžiagų, tokių kaip nanodalelės, medžiagų paviršiai, tyrimas, Kitas dalykas yra cheminių medžiagų, veikiančių aukštu slėgiu, tyrimas. Taip pat yra įdomus projektas, susijęs su naujų termoelektrinių medžiagų prognozavimu. Dabar jau žinome, kad mūsų išrastas kristalų struktūrų numatymo metodo pritaikymas termoelektros problemoms veikia efektyviai. Šiuo metu jau esame pasiruošę dideliam šuoliui į priekį, kurio rezultatas turėtų būti naujų termoelektrinių medžiagų atradimas. Jau dabar aišku, kad mūsų sukurtas metodas termoelektrikai yra labai galingas, atlikti bandymai sėkmingi. Ir mes esame visiškai pasirengę tinkamai ieškoti naujų medžiagų. Taip pat užsiimame naujų aukštos temperatūros superlaidininkų prognozavimu ir tyrimu. Užduodame klausimą, kaip nuspėti baltymų struktūrą. Tai mums nauja ir labai įdomi užduotis.

Įdomu tai, kad USPEX jau buvo naudingas net medicinai: „Be to, kuriame naujus vaistus. Visų pirma, mes numatėme, gavome ir užpatentavome naują vaistą,– sako A.R. Oganovas. - Tai 4-aminopiridino hidratas, vaistas nuo išsėtinės sklerozės..

Kalbame apie neseniai kompiuterinio medžiagų projektavimo laboratorijos darbuotojų Valerijus Royzenas (4 pav.), Anastasija Naumova ir Artemas Oganovas patentuotą vaistą, leidžiantį simptomiškai gydyti išsėtinę sklerozę. Patentas yra atviras, o tai padės sumažinti vaisto kainą. Išsėtinė sklerozė yra lėtinė autoimuninė liga, tai yra viena iš tų patologijų, kai paties šeimininko imuninė sistema kenkia šeimininkui. Tokiu atveju pažeidžiamas nervinių skaidulų mielino apvalkalas, kuris įprastai atlieka elektros izoliacinę funkciją. Tai labai svarbu normaliai neuronų veiklai: srovė per mielinu padengtas nervinių ląstelių ataugas praeina 5-10 kartų greičiau nei per neuždengtas. Todėl išsėtinė sklerozė sukelia nervų sistemos veiklos sutrikimus.

Pagrindinės išsėtinės sklerozės priežastys lieka neaiškios. Daugelis laboratorijų visame pasaulyje bando juos suprasti. Rusijoje tai atlieka Bioorganinės chemijos instituto biokatalizės laboratorija.

4 pav. Valerijus Royzenas – vienas iš vaisto nuo išsėtinės sklerozės patento autorių, kompiuterinio medžiagų projektavimo laboratorijos darbuotojas, kuriantis naujas vaistų dozavimo formas ir aktyviai propaguojantis mokslą.

3 vaizdo įrašas. Valerijaus Royseno populiarioji mokslo paskaita „Skanūs kristalai“. Sužinosite apie narkotikų veikimo principus, apie vaistų pristatymo į žmogaus organizmą formos svarbą ir apie piktąjį aspirino brolį dvynį.

Anksčiau klinikoje jau buvo naudojamas 4-aminopiridinas, tačiau mokslininkams pavyko, pakeitus cheminę sudėtį, pagerinti šio vaisto įsisavinimą į kraują. Jie gavo kristalinį 4-aminopiridino hidratą (5 pav.), kurio stechiometrija buvo 1:5. Šioje formoje buvo patentuotas pats vaistas ir jo paruošimo būdas. Medžiaga pagerina neuromediatorių išsiskyrimą nervų ir raumenų sinapsėse, todėl pacientams, sergantiems išsėtine skleroze, lengviau. Verta paminėti, kad šis mechanizmas apima simptomų, bet ne pačios ligos gydymą. Be biologinio prieinamumo, esminis naujos plėtros taškas yra toks: kadangi 4-aminopiridiną buvo galima „uždaryti“ į kristalą, jis tapo patogesnis naudoti medicinoje. Išgrynintas ir homogeniškas kristalines medžiagas gana lengva gauti, o vaisto laisvumas nuo galimai kenksmingų priemaišų yra vienas iš pagrindinių gero vaisto kriterijų.

Naujų cheminių struktūrų atradimas

Kaip minėta aukščiau, USPEX leidžia rasti naujų cheminių struktūrų. Pasirodo, net „įprasta“ anglis turi savų paslapčių. Anglis yra labai įdomus cheminis elementas, nes jis sudaro daugybę struktūrų – nuo ​​itin kietų dielektrikų iki minkštųjų puslaidininkių ir net superlaidininkų. Pirmieji apima deimantą ir lonsdaleitą, antruosius - grafitą, o trečiuosius - kai kuriuos fullerenus žemoje temperatūroje. Nepaisant daugybės žinomų anglies formų įvairovės, Artemo Oganovo vadovaujamiems mokslininkams pavyko atrasti iš esmės naują struktūrą: anksčiau nebuvo žinoma, kad anglis gali sudaryti svečio-šeimininko kompleksus (6 pav.). Darbe, be kita ko, dalyvavo Medžiagų kompiuterinio projektavimo laboratorijos darbuotojai (7 pav.).

7 pav. Olegas Feya, Maskvos fizikos ir technologijos instituto aspirantas, kompiuterinio medžiagų projektavimo laboratorijos darbuotojas ir vienas iš naujos anglies struktūros atradimo autorių. Laisvalaikiu Olegas užsiima mokslo populiarinimu: jo straipsnius galima skaityti leidiniuose „Schrödingerio katė“, „Už mokslą“, STRF.ru, „Strana Rosatom“. Be to, Olegas yra Maskvos nugalėtojas Mokslo slemas ir televizijos laidos „Patys protingiausi“ dalyvė.

„Svečio ir šeimininko“ sąveika pasireiškia, pavyzdžiui, kompleksais, susidedančiais iš molekulių, kurios viena su kita yra sujungtos nekovalentiniais ryšiais. Tai yra, tam tikras atomas / molekulė užima tam tikrą vietą kristalinėje gardelėje, tačiau tuo pat metu nesudaro kovalentinio ryšio su aplinkiniais junginiais. Toks elgesys yra plačiai paplitęs tarp biologinių molekulių, kurios jungiasi viena su kita, sudarydamos stiprius ir didelius kompleksus, atliekančius įvairias funkcijas mūsų organizme. Apskritai tai reiškia junginį, sudarytą iš dviejų tipų struktūrinių elementų. Medžiagoms, kurias sudaro tik anglis, tokios formos nebuvo žinomos. 2014 metais mokslininkai paskelbė savo atradimą, praplėsdami mūsų žinias apie 14-osios cheminių elementų grupės savybes ir elgseną kaip visumą (8 pav.) Verta paminėti, kad atviroje anglies formoje tarp atomų susidaro kovalentiniai ryšiai. Mes kalbame apie svečio-šeimininko tipą dėl aiškiai apibrėžtų dviejų tipų anglies atomų, kurie turi visiškai skirtingą struktūrinę aplinką.

Nauja chemija esant aukštam slėgiui

Kompiuterinė medžiagų projektavimo laboratorija tiria, kurios medžiagos yra stabilios esant aukštam slėgiui. Štai kaip laboratorijos vadovas argumentuoja susidomėjimą tokiais tyrimais: „Mes tiriame medžiagas, esančias aukšto slėgio sąlygomis, ypač naują chemiją, kuri atsiranda tokiomis sąlygomis. Tai labai neįprasta chemija, kuri netelpa į tradicinės taisykles. Įgytos žinios apie naujus junginius padės suprasti, kas vyksta planetų viduje. Nes šios neįprastos cheminės medžiagos gali būti labai svarbios planetos vidaus medžiagos. Sunku nuspėti, kaip elgsis aukšto slėgio veikiamos medžiagos: dauguma cheminių taisyklių nustoja veikti, nes šios sąlygos labai skiriasi nuo įprastų. Nepaisant to, būtina tai suprasti, jei norime sužinoti, kaip veikia Visata. Liūto dalis Visatos barioninės medžiagos yra aukšto slėgio planetų, žvaigždžių, palydovų viduje. Keista, bet labai mažai žinoma apie jo chemiją.

Naują chemiją, kuri yra diegiama esant aukštam slėgiui MIPT kompiuterinio medžiagų projektavimo laboratorijoje, tiria daktarė (panašus į daktaro laipsnį) Gabriele Saleh:

„Esu chemikas ir domiuosi chemija esant aukštam slėgiui. Kodėl? Nes mes turime chemijos taisykles, kurios buvo suformuluotos prieš 100 metų, bet neseniai paaiškėjo, kad jos nustoja veikti esant dideliam slėgiui. Ir tai yra labai įdomu! Atrodo kaip pramogų parkas: yra reiškinys, kurio niekas negali paaiškinti; tyrinėti naują reiškinį ir bandyti suprasti, kodėl taip nutinka, yra labai įdomu. Pokalbį pradėjome nuo esminių dalykų. Tačiau didelis spaudimas egzistuoja ir realiame pasaulyje. Žinoma, ne šiame kambaryje, o Žemės viduje ir kitose planetose “ .

Kadangi esu chemikas, domiuosi aukšto slėgio chemija. Kodėl? Kadangi mes turime chemines taisykles, kurios buvo nustatytos prieš šimtą metų, bet neseniai buvo atrasta, kad šios taisyklės pažeidžiamos esant aukštam slėgiui. Ir tai labai įdomu! Tai kaip loonoparkas, nes jūs turite reiškinį, kurio niekas negali racionalizuoti. Įdomu tyrinėti naują reiškinį ir pabandyti suprasti, kodėl taip nutinka. Pradėjome nuo esminio požiūrio. Tačiau toks didelis spaudimas egzistuoja. Žinoma, ne šiame kambaryje, bet Žemės viduje ir kitose planetose.

9 pav. Anglies rūgštis (H 2 CO 3) – struktūra stabili veikiant slėgiui. Aukščiau esančiame įdėkle parodyta, kad kartu C ašis susidaro polimerinės struktūros. Anglies, deguonies ir vandenilio sistemos tyrimas esant dideliam slėgiui yra labai svarbus norint suprasti, kaip veikia planetos. H 2 O (vanduo) ir CH 4 (metanas) yra pagrindinės kai kurių milžiniškų planetų, tokių kaip Neptūnas ir Uranas, sudedamosios dalys, kuriose slėgis gali siekti šimtus GPa. Dideliuose ledo palydovuose (Ganymede, Callisto, Titan) ir kometose taip pat yra vandens, metano ir anglies dioksido, kurių slėgis siekia iki kelių GPa.

Gabrielė papasakojo apie savo naują darbą, kuris neseniai buvo priimtas publikuoti:

„Kartais darai bazinius mokslus, bet tada gautas žinias randi tiesioginį pritaikymą. Pavyzdžiui, neseniai pateikėme publikuoti straipsnį, kuriame aprašomi visų stabilių junginių, pagamintų iš anglies, vandenilio ir deguonies esant aukštam slėgiui, paieškos rezultatai. Mes radome tokį, kuris yra stabilus esant labai žemam slėgiui, pavyzdžiui, 1 GPa , ir pasirodė, kad tai anglies rūgštis H 2 CO 3(9 pav.). Išstudijavau literatūrą apie astrofiziką ir sužinojau, kad palydovai Ganimedas ir Kalisto [Jupiterio palydovai] yra sudaryti iš vandens ir anglies dioksido: molekulių, kurios sudaro anglies rūgštį. Taigi mes supratome, kad mūsų atradimas rodo, kad ten susidaro anglies rūgštis. Štai apie ką aš kalbėjau: viskas prasidėjo nuo fundamentinio mokslo ir baigėsi kažkuo svarbiu palydovų ir planetų tyrimui. .

Atkreipkite dėmesį, kad toks slėgis yra žemas, palyginti su tuo, kurį iš principo galima rasti Visatoje, tačiau didelis, palyginti su slėgiais, kurie mus veikia Žemės paviršiuje.

Taigi kartais studijuojate ką nors fundamentinio mokslo, bet tada atrandate, kad tai tinkama. Pavyzdžiui, ką tik pateikėme dokumentą, kuriame aukštu slėgiu paėmėme anglį, vandenilį, deguonį ir bandėme ieškoti visų stabilių junginių. Mes radome vieną, kuri buvo anglies rūgštis, ir ji buvo stabili esant labai žemam slėgiui, pavyzdžiui, vienam gigapaskaliui. Ištyriau astrofizikos literatūrą ir atradau: yra tokių palydovų kaip Ganimedas ar Calisto. Ant jų yra anglies dioksido ir vandens. Molekulės, kurios sudaro šią anglies rūgštį. Taigi supratome, kad šis atradimas reiškia, kad tikriausiai bus anglies rūgšties. Štai ką aš turiu galvoje sakydamas apie pagrindinį ir atradimą, kas pritaikoma planetų mokslui.

Kitas neįprastos chemijos pavyzdys, kurį galima paminėti, yra gerai žinoma valgomoji druska NaCl. Pasirodo, jei savo druskinėje sukursite 350 GPa slėgį, gausite naujų jungčių. 2013 m., vadovaujant A.R. Oganovas parodė, kad jei padidinsite NaCl slėgį, neįprasti junginiai taps stabilūs - pavyzdžiui, NaCl 7 (10 pav.) ir Na 3 Cl. Įdomu tai, kad daugelis aptiktų medžiagų yra metalai. Gabriele Salekh ir Artemas Oganovas tęsė savo novatorišką darbą, kuriame jie parodė egzotišką natrio chloridų elgesį esant aukštam slėgiui ir sukūrė teorinį modelį, kuris gali būti naudojamas nuspėti šarminių metalų junginių su halogenais savybes.

Jie apibūdino taisykles, kurioms šios medžiagos paklūsta tokiomis neįprastomis sąlygomis. Naudojant USPEX algoritmą, keli junginiai, kurių formulė A 3 Y (A = Li, Na, K; Y = F, Cl, Br), teoriškai buvo veikiami iki 350 GPa slėgių. Tai leido atrasti chlorido jonus oksiduotoje būsenoje –2. „Standartinė“ chemija tai draudžia. Tokiomis sąlygomis gali susidaryti naujos medžiagos, kurių cheminė formulė yra Na 4 Cl 3.

10 pav. Paprastosios druskos NaCl kristalinė struktūra ( paliko) ir neįprastas junginys NaCl 7 ( Dešinėje), stabilus esant slėgiui.

Chemijai reikia naujų taisyklių

Gabriele Saleh (11 pav.) kalbėjo apie savo tyrimą, kurio tikslas – aprašyti naujas chemijos taisykles, kurios turėtų nuspėjamąją galią ne tik standartinėmis sąlygomis, bet apibūdintų medžiagų elgseną ir savybes esant aukštam slėgiui (12 pav.).

11 pav. Gabriele Saleh

„Prieš dvejus ar trejus metus profesorius Oganovas atrado, kad tokia paprasta druska kaip NaCl esant aukštam slėgiui nėra tokia paprasta: natris ir chloras gali sudaryti kitus junginius. Bet niekas nežinojo kodėl. Mokslininkai atliko skaičiavimus, gavo rezultatus, tačiau taip ir liko nežinoma, kodėl viskas vyksta taip, o ne kitaip. Nuo pat studijų baigimo studijavau cheminius ryšius, o savo tyrimo metu galėjau suformuluoti keletą taisyklių, kurios logiškai paaiškina, kas vyksta. Ištyriau, kaip elektronai elgiasi tokių junginių sudėtyje, ir priėjau prie bendrų jiems būdingų dėsnių esant aukštam slėgiui. Norėdamas patikrinti, ar šios taisyklės yra mano fantazijos vaisius, ar vis dar objektyviai teisingos, nuspėjau panašių junginių struktūras – LiBr arba NaBr ir dar keletą panašių. Tiesą sakant, laikomasi bendrųjų taisyklių. Trumpai tariant, pamačiau, kad yra tokia tendencija: spaudžiant tokius junginius susidaro dvimatė metalinė konstrukcija, o po to – vienmatė. Tada, esant labai aukštam slėgiui, pradeda dėtis laukiniai dalykai, nes tada chloro oksidacijos būsena būtų -2. Visi chemikai žino, kad chloro oksidacijos laipsnis yra -1, tai yra tipiškas pavyzdys iš vadovėlio: natris praranda elektroną, o chloras jį pasiima. Todėl oksidacijos skaičiai yra atitinkamai +1 ir –1. Tačiau esant aukštam slėgiui jis veikia ne taip. Mes tai parodėme naudodami kai kuriuos cheminių ryšių analizės metodus. Be to, dirbdamas ieškojau specialios literatūros, kad suprasčiau, ar kas nors jau pastebėjo tokius modelius. Ir paaiškėjo, kad taip, mes padarėme. Jei neklystu, natrio bismutatas ir kai kurie kiti junginiai paklūsta aprašytoms taisyklėms. Žinoma, tai tik pradžia. Kai bus paskelbti šie straipsniai šia tema, išsiaiškinsime, ar mūsų modelis turi realią nuspėjamąją galią. Nes kaip tik to ir ieškome. Norime apibūdinti cheminius dėsnius, kurie būtų stebimi net esant dideliam slėgiui. .

Prieš dvejus ar trejus metus profesorius Oganovas atrado, kad paprasta druska NaCl esant aukštam slėgiui nėra labai paprasta ir susidarys kiti junginiai. Bet niekas nežino kodėl. Jie atliko skaičiavimus ir gavo rezultatus, bet negalite pasakyti, kodėl taip nutinka. Taigi, kai savo doktorantūroje specializuojamės cheminio ryšio tyrime, ištyriau šiuos junginius ir radau tam tikrą taisyklę, leidžiančią racionalizuoti tai, kas vyksta. Ištyriau, kaip šiuose junginiuose elgiasi elektronai, ir sugalvojau tam tikras taisykles, kurių tokie junginiai laikysis esant aukštam slėgiui. Norėdamas patikrinti, ar mano taisyklės buvo tik mano įsivaizdavimas, ar jos teisingos, numatiau naujas panašių junginių struktūras. Pavyzdžiui, LiBr arba NaBr ir kai kurie tokie deriniai. Ir taip, šių taisyklių, pasirodo, reikia laikytis. Trumpai tariant, kad nebūčiau labai specialistas, pamačiau, kad yra tokia tendencija: juos suspaudus susidarytų dvimačiai metalai, tada vienmatė metalo struktūra. Ir tada, esant labai aukštam slėgiui, atsitiktų dar šiek tiek laukinių, nes šiuo atveju Cl oksidacijos skaičius bus –2. Visi chemikai žino, kad mažiausias Cl oksidacijos skaičius yra –1, o tai yra tipiškas vadovėlio pavyzdys: natris praranda elektroną, o chloras jį gauna. Taigi turime +1 ir –1 oksidacijos skaičius. Tačiau esant labai aukštam slėgiui, tai nebetiesa. Mes tai parodėme naudodamiesi kai kuriais cheminio ryšio analizės metodais. Tame darbe taip pat bandžiau pažvelgti į literatūrą, ar kas nors yra matęs tokias taisykles. Ir taip, paaiškėjo, kad tokių buvo. Jei neklystu, Na-Bi ir kiti junginiai laikosi šių taisyklių. Žinoma, tai tik atspirties taškas. Kiti dokumentai pasirodys ir pamatysime, ar šis modelis turi tikrą nuspėjamąją galią. Nes tai yra tai, ko mes ieškome. Norime nubrėžti chemiją, kuri tiks ir esant aukštam slėgiui.

12 pav. Medžiagos, kurios cheminė formulė Na 4 Cl 3, kuri susidaro esant 125-170 GPa slėgiui, struktūra, kuris aiškiai parodo „keistos“ chemijos atsiradimą spaudžiant.

Jei eksperimentuosite, tada pasirinktinai

Nepaisant to, kad USPEX algoritmas išsiskiria didele nuspėjimo galia vykdant užduotis, teorija visada reikalauja eksperimentinio patikrinimo. Kompiuterinio medžiagų projektavimo laboratorija yra teorinė, kaip rodo net jos pavadinimas. Todėl eksperimentai atliekami bendradarbiaujant su kitomis tyrimų grupėmis. Gabriele Saleh laboratorijoje priimtą tyrimo strategiją komentuoja taip:

„Mes neeksperimentuojame – esame teoretikai. Tačiau dažnai bendradarbiaujame su žmonėmis, kurie tai daro. Tiesą sakant, manau, kad tai apskritai sunku. Šiandien mokslas yra labai specializuotas, todėl nėra lengva rasti žmogų, kuris užsiimtų abiem. .

Mes neeksperimentuojame, bet dažnai bendradarbiaujame su kai kuriais eksperimentuojančiais žmonėmis. Tiesą sakant, manau, kad tai sunku. Šiais laikais mokslas yra labai specializuotas, todėl sunku rasti žmogų, kuris užsiimtų abiem.

Vienas ryškiausių pavyzdžių – skaidraus natrio prognozė. 2009 metais žurnale Gamta paskelbti darbo, atlikto vadovaujant Artemui Oganovui, rezultatai. Straipsnyje mokslininkai aprašė naują Na formą, kurioje jis yra skaidrus nemetalas, spaudžiamas tampantis dielektriku. Kodėl taip atsitinka? Taip yra dėl valentinių elektronų elgsenos: esant slėgiui, jie išstumiami į natrio atomų suformuotas kristalinės gardelės tuštumas (13 pav.). Tokiu atveju išnyksta medžiagos metalinės savybės ir atsiranda dielektriko savybės. Dėl 2 milijonų atmosferų slėgio natris tampa raudonas, o 3 milijonai atmosferų – bespalvis.

13 pav. Natrio slėgis virš 3 milijonų atmosferų. Mėlynos spalvos parodyta natrio atomų kristalinė struktūra, oranžinė- valentinių elektronų ryšuliai struktūros tuštumose.

Mažai kas tikėjo, kad klasikinis metalas gali parodyti tokį elgesį. Tačiau bendradarbiaujant su fiziku Michailu Eremecu buvo gauti eksperimentiniai duomenys, kurie visiškai patvirtino prognozę (14 pav.).

14 pav. Na mėginio nuotraukos, gautos derinant perduodamą ir atspindėtą apšvietimą. Mėginiui buvo taikomi skirtingi slėgiai: 199 GPa (skaidri fazė), 156 GPa, 124 GPa ir 120 GPa.

Turime dirbti su mirksniu!

Artemas Oganovas papasakojo, kokius reikalavimus kelia savo darbuotojams:

„Pirma, jie turi turėti gerą išsilavinimą. Antra, būk darbštus. Jei žmogus tinginys, tai aš jo nepriimsiu, o jei staiga per klaidą įdarbinsiu, jis bus išmestas. Keletą darbuotojų, kurie pasirodė esą tingūs, inertiški, amorfiški, aš tiesiog atleidau. Ir aš manau, kad tai yra visiškai teisinga ir gera net pačiam žmogui. Nes jei žmogus ne savo vietoje, jis nebus laimingas. Jam reikia eiti ten, kur dirbs su ugnimi, su entuziazmu, su malonumu. Ir tai naudinga laboratorijai ir žmonėms. O tie vaikinai, kurie tikrai dirba gražiai, su žiburiu, todėl mokame gerą atlyginimą, jie važiuoja į konferencijas, rašo straipsnius, kuriuos paskui publikuoja geriausiuose pasaulio žurnaluose, jiems bus gerai. Nes jie yra vietoje ir laboratorija turi gerų išteklių jiems palaikyti. Tai yra, vaikinams nereikia galvoti apie papildomą darbą, kad išgyventų. Jie gali susikoncentruoti ties mokslu, mėgstamu verslu ir sėkmingai tai daryti. Dabar turime keletą naujų dotacijų ir tai atveria galimybę pasamdyti dar kelis žmones. Visą laiką vyksta varžybos. Žmonės paraiškas teikia ištisus metus, žinoma, visų nepriimu“.... (2016). 4-aminopiridino kristalinis hidratas, jo gamybos būdas, farmacinė kompozicija ir juo pagrįstas gydymo ir (arba) profilaktikos metodas. Fizik. Chem. Chem. Fizik. 18 , 2840–2849;

Ma Y., Eremets M., Oganov A.R., Xie Y., Trojan I., Medvedev S. ir kt. (2009). Skaidrus tankus natris. Gamta. 458 , 182–185;

Lyakhov A.O., Oganov A.R., Stokes H.T., Zhu Q. (2013). Nauji evoliucinės struktūros numatymo algoritmo USPEX pokyčiai. Comput. Fizik. Komun. 184 , 1172–1182.