Acasă Blank pentru iarnă Artem Oganov. Design computerizat de noi materiale: vis sau realitate? Proiectare computerizată de noi materiale Descoperire de noi materiale folosind proiectarea computerizată

Blank pentru iarnă

Artem Oganov. Design computerizat de noi materiale: vis sau realitate? Proiectare computerizată de noi materiale Descoperire de noi materiale folosind proiectarea computerizată

1. Design computerizat de noi materiale: vis sau realitate? Artem Oganov (ARO) (1) Departamentul de Geoștiințe (2) Departamentul de Fizică și Astronomie (3) Centrul New York pentru Științe Computaționale Universitatea de Stat din New York, Stony Brook, NY 11794-2100 (4) Universitatea de Stat din Moscova, Moscova, 119992, Rusia.
2. Structura materiei: atomi, molecule Anticii au ghicit că materia este formată din particule: „când El (Dumnezeu) nu a creat nici pământul, nici câmpurile, nici particulele inițiale de praf ale universului” (Proverbe 8:26) (de asemenea - Epicur, Lucretius Car, vechii indieni, ...) În 1611, I. Kepler a sugerat că structura formei de gheață a fulgilor de nea este determinată de structura lor atomică
3. Structura materiei: atomi, molecule, cristale 1669 - nașterea cristalografiei: Nikolai Stenon formulează prima lege cantitativă a cristalografiei „Cristalografia... este neproductivă, există numai pentru sine, nu are consecințe... nefiind cu adevărat nevoie oriunde, s-a dezvoltat în interiorul tău. Oferă minții o satisfacție limitată, iar detaliile ei sunt atât de variate încât poate fi numită inepuizabilă; de aceea îi lasoează chiar și pe cei mai buni oameni atât de tenace și atât de mult timp” (IV Goethe, cristalograf amator, 1749-1832) Ludwig Boltzmann (1844-1906) – marele fizician austriac care și-a construit toate teoriile pe conceptele de atomi. Critica atomismului l-a determinat să se sinucidă în 1906. În 1912, ipoteza structurii atomice a materiei a fost dovedită prin experimentele lui Max von Laue.
4. Structura - baza pentru înțelegerea proprietăților și comportamentului materialelor (de pe http://nobelprize.org) Zinc blende ZnS. Una dintre primele structuri rezolvate de Braggs.In 1913 Surpriza: NU exista molecule de ZnS in structura!
5. Difracția cu raze X este principala metodă de determinare experimentală a structurii cristaline Structura Model de difracție
6. Relația dintre structură și modelul de difracție Care vor fi modelele de difracție ale acestor „structuri”?
7. Triumfurile experimentului - determinarea structurilor cristaline incredibil de complexe Faze nepotrivite Quasicristale ale elementelor Proteine (Rb-IV, U.Schwarz'99) O nouă stare a materiei, descoperită în 1982. Găsită în natură abia în 2009! Premiul Nobel 2011!
8. Stări ale materiei Cristalin Quasicristalin Amorf Lichid Gazos („Materie moale” - polimeri, cristale lichide)
9. Structura atomică este cea mai importantă caracteristică a unei substanțe. Cunoscând-o, se pot prezice proprietățile materialului și structura sa electronică Teoria 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 Constante elastice ale perovskitului 1461463 146
10. Mai multe povestiri 4. Materiale din interiorul pământului 3. Materiale de la calculator 2. Este posibil să se prezică cristalin1. Despre relația dintre structură, structură și proprietăți
11. De ce gheața este mai ușoară decât apa Structura gheții conține canale mari goale care nu sunt prezente în apa lichidă. Din cauza acestor canale goale, gheața este mai ușoară decât gheața.
12. Hidrații de gaz (clatrați) - gheață umplută cu molecule invitate (metan, dioxid de carbon, clor, xenon etc.) Număr de publicații despre clatrați Depozite imense de hidrat de metan - speranța și salvarea sectorului energetic? Sub presiune joasă, metanul și dioxidul de carbon formează clatrați - 1 litru de clatrat conține 168 de litri de gaz! Hidratul de metan arată ca gheața, dar arde la eliberarea apei. Hidrat de CO2 - o formă de stocare a dioxidului de carbon? Mecanismul anesteziei cu xenon este formarea de He-hidrat, care blochează transmiterea semnalelor neuronale către creier (Pauling, 1951)
13. Materiale microporoase pentru industria chimică și curățarea mediului Zeoliții sunt aluminosilicați microporoși. industrie Exemple istorice de otrăvire cu metale grele: Qin Shi Huangdi Ivan IV cel Groaznic „Boala Nero (37-68) Plumb (259 - 210 î.Hr.) (1530-1584) otrăvire nebună: pălărie” agresiune, demență
14. Supraconductori noi și vechi Fenomenul a fost descoperit de Kamerling-Onnes în 1911. Teoria supraconductivității este 1957 (Bardeen, Cooper, Schrieffer), dar nu există o teorie a supraconductorilor la cea mai înaltă temperatură (Bednorz, Muller, 1986)! Cei mai puternici magneți (RMN, spectrometre de masă, acceleratoare de particule) Trenuri cu levitație magnetică (430 km/h)
15. Surpriză: forme de impurități supraconductoare ale carbonului 1,14 1 Tc  exp [] kB g (E F) V Grafit dopat: KC8 (Tc = 0,125 K), CaC6 (Tc = 11 K). Diamantul dopat B: Tc = 4 K. Fulerene dopate: RbCs2C60 (Tc = 33 K) Moleculă de moleculă Structura și aspectul cristalelor de fullerenă C60 Supraconductivitatea în cristale organice este cunoscută din 1979 (Bechgaard, 1979).
16. Cum pot salva sau distruge materialele La temperaturi scăzute, staniul trece printr-o tranziție de fază - „ciuma staniului”. 1812 - conform legendei, expediția lui Napoleon în Rusia a murit din cauza nasturilor de tablă de pe uniformele lor! 1912 - moartea expediției căpitanului R.F. Scott la Polul Sud, care a fost atribuit „ciumei de staniu”. Tranziție de ordinul întâi la 13 0C Tină albă: 7,37 g / cm3 Taniche gri: 5,77 g / cm3
17. Aliaje cu memorie de formă 1 2 3 4 1- înainte de deformare 3- după încălzire (20 ° C) (50 ° C) 2- după deformare 4- după răcire (20 ° C) (20 ° C) Exemplu: NiTi ( nitinol ) Aplicații: Shunturi, aparate dentare, elemente ale conductelor petroliere și motoare de avioane
18. Miracole ale proprietăților optice Pleocroismul (cordieritul) - descoperirea Americii și a Forțelor Aeriene ale SUA.
19. Despre natura culorii Lungimea de undă, Å Culoare Culoare suplimentară 4100 Violet Galben lămâie 4300 Galben indigo 4800 Albastru Portocaliu 5000 Albastru-verde Roșu 5300 Verde Violet 5600 Galben lămâie Violet 5800 Galben indigo 6100 Portocaliu Albastru 6800 Roșu Albastru-verde
20. Culoarea depinde de direcție (pleocroism). Exemplu: cordierit (Mg, Fe) 2Al4Si5O18.
21. 2. Predicția structurilor cristaline Oganov A.R., Lyakhov A.O., Valle M. (2011). Cum funcționează predicția evolutivă a structurii cristaline - și de ce. Acc. Chim. Res. 44, 227-237.
22. J. Maddox (Nature, 1988) Sarcina este de a găsi minimul GLOBAL de Natoms of Variants Energy Time. 1 1 1 sec. Este imposibil să se repete peste toate structurile: 10 1011 103 ani. 20 1025 1017 ani. 30 1039 1031 ani. Revizuirea metodei USPEX (ARO & Glass, J. Chem. Phys. 2006)
23. Cum să găsești Muntele Everest cu ajutorul evoluției cangurului? (poza de la R. Clegg) Aterizăm un aterizare de canguri și îi lăsăm să se înmulțească (nu este afișat din motive de cenzură) .....
24. Cum să găsești Muntele Everest cu ajutorul evoluției cangurului? (poza de la R. Clegg) Aaaargh! Aaa....si din cand in cand vin vanatori si scot cangurii la altitudini mai joase
25.
26. Calculele evolutive „se autoinvata” si concentreaza cautarea pe cele mai interesante zone ale spatiului
27. Calculele evolutive „se autoinvata” si concentreaza cautarea pe cele mai interesante zone ale spatiului
28. Calculele evolutive „se autoinvata” si concentreaza cautarea pe cele mai interesante zone ale spatiului
29. Calculele evolutive „se autoinvata” si concentreaza cautarea pe cele mai interesante zone ale spatiului
30. Metode alternative: căutare aleatorie (Freeman & Catlow, 1992; van Eijck & Kroon, 2000; Pickard & Needs, 2006) Fără „învățare”, funcționează doar pentru sisteme simple (până la 10-12 atomi). Recoacere artificială (Pannetier). 1990; Schön & Jansen 1996) Metadinamică fără „învățare” (Martonak, Laio, Parrinello 2003) Căutare tabu în spațiu redus Minima hopping (Gödecker 2004) Folosește istoricul de calcul și „auto-învățare”. Algoritmi genetici si evolutivi Bush (1995), Woodley (1999) - metoda ineficienta pentru cristale. Deaven & Ho (1995) este o metodă eficientă pentru nanoparticule.
31. USPEX (Universal Structure Predictor: Evolutionary Xtallography) (aleatorie) populație inițială O nouă generație de structuri este produsă numai din cele mai bune structuri actuale (1) Ereditate (3) Coordonate (2) Mutație latice (4) Permutație
32. Tehnici suplimentare - parametrul de ordine „Amprenta” structurii Nașterea ordinii din haos în procesul evolutiv [„DUMNEZEU = Generator de diversitate” © S. Avetisyan] Ordinea locală - indică zonele defecte
33. Test: „Cine ar ghici că grafitul este alotropul stabil al carbonului la presiunea obișnuită?” (Maddox, 1988) Structura sp2 tridimensională propusă de R. Hoffmann (1983) ca fază stabilă la 1 atm. sp3- hibridizare energetică ilustrează hibridizarea sp2 chimia carbonului hibridizarea sp (carbyne)
Test: Fazele de înaltă presiune sunt de asemenea reproduse corect 100 GPa: diamantul este stabil 2000 GPa: faza bc8 este stabilă + faza metastabilă care explică faza metastabilă bc8 a siliciului „grafit superhard” este cunoscută (Kasper, 1964) (Li, ARO, Ma, et al., PRL 2009)
35. Descoperiri realizate cu USPEX:
36. 3. Materiale de la calculator
37. Descoperirea de noi materiale: încă o metodă experimentală de încercare și eroare „Nu am suferit (zece mii) defecțiuni, ci am descoperit doar 10.000 de metode nefuncționale” (T.A. Edison)
38. Căutați cea mai densă substanță: sunt posibile modificările carbonului mai dense decât diamantul? Da Structura diamant Diamantul are cel mai mic volum atomic și cea mai mare incompresibilitate dintre toate structurile, elementele (și compușii) noi. mai dens decât diamantul! (Zhu, ARO, et al., 2011)
39. Analogia dintre formele de carbon și silice (SiO2) ne permite să înțelegem densitatea noilor forme de carbon Structuri noi, cu 1,1-3,2% mai dense decât diamantul, foarte mari (până la 2,8!) Indici de refracție și diamant de dispersie ușoară Structura hP3 Structura tP12 Structura tI12 SiO2 cristobalit SiO2 cuarț SiO2 kitit înaltă presiune SiS2 fază
40.
41. Cel mai dur oxid - TiO2? (Dubrovinsky și colab., Nature 410, 653-654 (2001)) Nishio-Hamane (2010) și Al-Khatatbeh (2009): Modulul de compresie ~ 300 GPa, nu 431 GPa. Lyakhov & ARO (2011): Experimentele de presiune sunt foarte dificile! Duritate nu mai mare de 16 GPa! TiO2 este mai moale decât SiO2 de stishovit (33 GPa), B6O (45 GPa), Al2O3 de corindon (21 GPa).
42. Sunt posibile forme de carbon mai dure decât diamantul? Nu . Material Model Li Lyakhov Exp. Duritate, entalpie și colab. & ARO Structura GPa eV / atom (2009) (2011) Diamond 89.7 0.000 Diamond 91.2 89.7 90 Lonsdaleite 89.1 0.026 grafit 57,4 0,17 0,14 C2 / m 84,3 0,163 TiO2 rutil 12,4 12,3 8-10 I4 / mmm 84.0 0.198 β-Si3N4 23,4 23,4 21 Cmcm 83.5 0.282SiO2 stishovit 31.8 30.8 33 P2 / m 83.4 0.166 I212121 82.9 0.784 Fmmm 82.2 0.322 Cmcm 82.0 0.224 P2 / m 83.4 0.166 I212121 82.9 0.784
43. Compresia la rece a grafitului dă carbon M, nu diamant! M-carbon a fost propus în 2006. În 2010-2012. au fost propuse zeci de structuri alternative (W-, R-, S-, Q-, X-, Y-, Z-carbon, etc.) M-carbonul este confirmat de cele mai recente experimente M-carbonul este cel mai ușor format din grafit grafit bct4-carbon graphite M -carbon grafit diamant
44. M-carbon - o nouă formă de carbon diamant-grafit lonsdaleit Diagrama de fază teoretică a carabinelor fullerene cu carbon M-carbon
45. Substanță sub presiune în natură P.W. Bridgman 1946 laureat Nobel (fizică) Scară 200x: 100 GPa = 1 Mbar =
Neptun are o sursă de căldură internă - dar de unde provine CH4? Uranus și Neptun: H2O: CH4: NH3 = 59: 33: 8. Neptun are o sursă de energie internă (Hubbard'99). Ross'81 (și Benedetti'99): CH4 = C (diamant) + 2H2. Caderea diamantului - principala sursă de căldură pe Neptun? Teoria (Ancilotto'97; Gao '2010) confirmă acest lucru. metan hidrocarburi diamant
47. Borul este situat între metale și nemetale și structurile sale unice sunt sensibile la impuritățile B, temperatură și presiune alfa-B beta-B T-192
48. Istoria descoperirii și cercetării borului este plină de controverse și de răsturnări detective.B 1808: J.L.Gay-Lussac și H.Davy anunță descoperirea unui nou element - bor.J.L. Gay-Lussac H. Davy 1895: H. Moissan a dovedit că substanțele pe care le-au descoperit nu conțin mai mult de 50-60% bor. Totuși, materialul lui Moissan s-a dovedit a fi un compus cu un conținut de bor mai mic de 90%. H. Moissan 1858: F. Wöhler a descris 3 modificări ale borului - „diamant”, „grafit” și „asemănător carbonului”. Toți trei s-au dovedit a fi compuși (de exemplu, AlB12 și B48C2Al). 2007: ~ 16 modificări de cristal au fost publicate (majoritatea sunt compuși?). Nu se știe care formă este cea mai stabilă. F. Wöhler
49. Borul formează sub presiune o structură parțial ionică! B 2004: Chen și Solozhenko: au sintetizat o nouă modificare a borului, dar nu au putut rezolva structura acesteia. 2006: Oganov: a definit structura, a demonstrat stabilitatea acesteia. 2008: Solozhenko, Kurakevich, Oganov - această fază este una dintre cele mai dure substanțe cunoscute (duritate 50 GPa). Difracție cu raze X. Sus - teorie, Jos - experiment Structura gamma-borului: (B2) δ + (B12) δ-, δ = + 0,5 (ARO et al., Nature 2009) Distribuția celui mai stabil (stânga) și cel mai puțin (dreapta) electroni.
50. Prima diagramă de fază a borului - după 200 de ani de cercetare! Diagrama de fază B a borului (ARO și colab., Nature 2009)
51. Sodiul este un metal perfect descris de modelul cu electroni liberi
52. Sub presiune, sodiul își schimbă esența – „transformare alchimică” Na 1807: Sodiul este descoperit de Humphrey Davy. 2002: Hanfland, Syassen, et al. - primul indiciu al chimiei extrem de dificile H. Davy sodiu sub presiune peste 1 Mbar. Gregoriants (2008) - date mai detaliate. Sub presiune, sodiul devine parțial d-metal!
53. Am prezis o nouă structură care este un nemetal transparent! Sodiul devine transparent la o presiune de ~ 2 Mbar (Ma, Eremets, ARO et al., Nature 2009) Electronii sunt localizați în „spațiul gol” al structurii, ceea ce face ca sodiul comprimat să fie un nemetal.
Studiul mineralelor este nu numai plăcerea estetică, ci și o direcție științifică de importanță practic și fundamental Efect de scădere a punctului de topire al impurităților Aliajul de lemn - se topește la 70 C. Aliaj Bi-Pb-Sn-Cd-In-Tl - la 41,5 C!
64. Și care este compoziția nucleului interior al Pământului? Miezul este ceva mai puțin dens decât fierul pur. În miezul Fe într-un aliaj cu elemente ușoare precum S, Si, O, C, H. Compuși noi (FeH4!) Sunt preziși în sistemele Fe-C și Fe-H. Carbonul poate fi conținut în miez în cantități mari [Bazhanova, Oganov, Dzhanola, UFN 2012]. Procentul de carbon din miezul interior necesar pentru a explica densitatea acestuia
65. Natura stratului D "(2700-2890 km) a rămas multă vreme un mister. D" este rădăcina fluxurilor de manta fierbinte. MgSiO3 este de așteptat să fie de ~ 75 vol.% Ciudația stratului D ": seismic ruptură, anizotropie Amintiți-vă de anizotropia culorii cordieritei!
66. Răspunsul este existența unui nou mineral, MgSiO3 post-perovskit în stratul D „(2700-2890 km) Diagrama de fază D” ruperea MgSiO3 Explică existența stratului D”, permite calcularea temperaturii acestuia. perovskitul ca Pământul răcește D „este absent pe Mercur și Marte Noua familie de minerale prezisă Confirmare - Tschauner (2008)
67. Structura materiei este cheia înțelegerii lumii 4. Înțelegerea interiorului planetar se adâncește 3. Calculatorul învață să prezică noi materiale 2. Este deja posibil să prezică structuri cristaline1. Structura definește proprietățile
68. Mulțumiri: Studenții mei, studenții absolvenți și postdoctoranzi: A. Lyakhov Y. Ma S.E. Boulfelfel C.W. Glass Q. Zhu Y. Xie Colegi din alte laboratoare: F. Zhang (Perth, Australia) C. Gatti (U. Milano, Italia) G. Gao (Jilin University, China) A. Bergara (U. Țara Bascilor, Spania) I. Errea (U. Țara Bascilor, Spania) M. Martinez-Canales (UCL, Marea Britanie) C. Hu (Guilin, China) M. Salvado & P. Pertierra (Oviedo, Spania) VL Solozhenko (Paris) D.Yu. Pușcharovski, V.V. Utilizatori ai programului USPEX Brazhkin (Moscova) (> 1000 de persoane) - http://han.ess.sunysb.edu/~USPEX

Publicăm textul unei prelegeri susținute de un profesor la Universitatea de Stat din New York, un profesor asociat la Universitatea de Stat din Moscova, un profesor onorific la Universitatea Guilin.Artem Oganov 8 Septembrie 2012, ca parte a seriei „Prelegeri publice” Polit.ru „la festivalul de carte în aer liber Bookmarket în parcul de arte „Muzeon”.

„Prelegerile publice” Polit.ru „” sunt susținute cu sprijinul:

Textul prelegerii

Sunt foarte recunoscător organizatorilor acestui festival și Polit.ru pentru invitație. Sunt onorat să susțin această prelegere; Sper să găsești interesant.

Prelegerea este direct legată de viitorul nostru, pentru că viitorul nostru este imposibil fără noi tehnologii, tehnologii legate de calitatea vieții noastre, aici este iPad-ul, aici este proiectorul nostru, toate electronicele noastre, tehnologiile de economisire a energiei, tehnologiile care sunt folosite pentru curăță mediul, tehnologiile aplicate în medicină și așa mai departe - toate acestea depind în mare măsură de materiale noi, noile tehnologii necesită materiale noi, materiale cu proprietăți unice, speciale. Și va exista o poveste despre modul în care aceste noi materiale pot fi dezvoltate nu într-un laborator, ci pe un computer.

Prelegerea se intitulează: „Proiectarea computerelor de materiale noi: vis sau realitate?” Dacă acesta ar fi doar un vis, atunci prelegerea nu ar avea sens. Visele sunt de obicei ceva în afara tărâmului realității. Pe de altă parte, dacă acest lucru ar fi deja pe deplin implementat, prelegerea nu ar avea nici un sens, deoarece un nou tip de metodologie, inclusiv cele teoretice computaționale, atunci când sunt deja pe deplin dezvoltate, trec de la categoria științei la categoria de sarcini industriale de rutină. De fapt, această zonă este complet nouă: proiectarea computerizată a materialelor noi se află undeva la mijloc între un vis - ceea ce este imposibil, ceea ce visăm în timpul liber - și realitate, aceasta este o zonă care nu este încă complet finalizată, aceasta este o zonă care se dezvoltă chiar acum. Și această zonă va permite în viitorul apropiat să se abată de la metoda tradițională de descoperire a materialelor noi, de laborator, și să înceapă proiectarea pe computer a materialelor, ar fi atât mai ieftin, cât și mai rapid, în multe privințe chiar mai fiabil. Și iată cum să o faci și îți voi spune. Acest lucru este direct legat de problema predicției, predicția structurii unei substanțe, deoarece structura unei substanțe determină proprietățile acesteia. Structura diferită a aceleiași substanțe, să zicem, carbonul, determină diamantul super dur și grafitul super moale. Structura în acest caz este totul. Structura substanței.

În general, anul acesta sărbătorim centenarul primelor experimente care au făcut posibilă descoperirea structurii materiei. Cu mult timp în urmă, încă din cele mai vechi timpuri, oamenii au emis ipoteza că materia este formată din atomi. O mențiune despre aceasta poate fi găsită, de exemplu, în Biblie, în diferite epopee indiene, iar referințe destul de detaliate la aceasta pot fi văzute în Democrit și Lucretius Kara. Și prima mențiune despre modul în care funcționează materia, despre modul în care această materie este formată din aceste particule discrete, atomi, îi aparține lui Johannes Kepler, marele matematician, astronom și chiar astrolog - la vremea aceea astrologia era încă considerată o știință, din păcate. Kepler a desenat primele imagini în care a explicat forma hexagonală a fulgilor de zăpadă, iar structura gheții propusă de Kepler, deși diferită de realitate, este similară în multe privințe cu aceasta. Dar, cu toate acestea, ipoteza despre structura atomică a materiei a rămas o ipoteză până în secolul al XX-lea, până în urmă cu o sută de ani această ipoteză a devenit pentru prima dată dovedită științific. S-a dovedit cu ajutorul științei mele, cristalografia, o știință relativ nouă, care s-a născut la mijlocul secolului al XVII-lea, 1669 este data oficială de naștere a științei cristalografiei și a fost creată de minunatul om de știință danez. Nikolai Stenon. De fapt, numele lui era Nils Stensen, era danez, numele latinizat era Nikolai Stenon. El a fondat nu numai cristalografia, ci o serie de discipline științifice și a formulat prima lege a cristalografiei. Din acel moment, cristalografia de-a lungul unei traiectorii de accelerare a început să se dezvolte.

Nikolai Stenon a avut o biografie unică. A devenit nu numai fondatorul mai multor științe, dar a fost și canonizat în Biserica Catolică. Cel mai mare poet german, Goethe, a fost și cristalograf. Și Goethe are un citat că cristalografia este neproductivă, există în sine și, în general, această știință este complet inutilă și nu este clar de ce este nevoie de ea, dar ca puzzle este foarte interesantă și datorită acestui fapt atrage foarte inteligent. oameni. Așa a spus Goethe într-o prelegere de popularizare, pe care a ținut-o undeva în stațiunile balneare din Baden, doamnelor bogate și relaxate. Apropo, există un mineral numit după Goethe, goethite. Trebuie să spun că la acea vreme cristalografia era într-adevăr o știință destul de inutilă, într-adevăr la nivelul unui fel de șarade și puzzle-uri matematice. Dar timpul a trecut și acum 100 de ani, cristalografia a părăsit categoria unor astfel de științe în sine și a devenit o știință extrem de utilă. Aceasta a fost precedată de o mare tragedie.

Repet, structura atomică a materiei a rămas o ipoteză până în 1912. Marele fizician austriac Ludwig Boltzmann și-a bazat toate argumentele științifice pe această ipoteză despre atomicitatea materiei și a fost aspru criticat de mulți dintre oponenții săi: „cum poți să-ți construiești toate teoriile pe o ipoteză nedovedită?”. Ludwig Boltzmann, influențat de această critică și de sănătatea proastă, s-a sinucis în 1906. S-a spânzurat în timp ce se afla în vacanță cu familia în Italia. Doar 6 ani mai târziu, structura atomică a materiei a fost dovedită. Deci, dacă ar fi fost puțin mai răbdător, ar fi triumfat asupra tuturor adversarilor. Răbdarea înseamnă uneori mai mult decât rațiune, răbdarea înseamnă mai mult decât chiar geniu. Deci - care au fost aceste experimente? Aceste experimente au fost făcute de Max von Laue, mai exact, studenții săi absolvenți. Max von Laue însuși nu a făcut astfel de experimente, dar ideea i-a aparținut. Ideea a fost că, dacă materia constă într-adevăr din atomi, dacă într-adevăr, așa cum a sugerat Kepler, atomii sunt construiți într-un cristal într-un mod regulat periodic, atunci ar trebui observat un fenomen interesant. Raze X au fost descoperite nu cu mult timp înainte. Fizicienii de la acel moment deja înțelegeau bine că, dacă lungimea de undă a radiației este comparabilă cu lungimea periodicității - lungimea caracteristică a unui obiect, în acest caz - un cristal, atunci trebuie observat fenomenul de difracție. Adică, razele vor călători nu numai strict într-o linie dreaptă, ci și se vor abate la unghiuri complet strict definite. Astfel, un model de difracție cu raze X foarte special ar trebui să fie observat din cristal. Se știa că lungimea de undă a razelor X ar trebui să fie similară cu dimensiunea atomilor; dacă atomi există, s-au făcut estimări ale mărimii atomilor. Astfel, dacă ipoteza atomică a structurii materiei este corectă, atunci ar trebui observată difracția cu raze X a cristalelor. Ce ar putea fi mai ușor, cum să verific?

O idee simplă, un experiment simplu, pentru care în puțin mai mult de un an, Laue a primit Premiul Nobel pentru Fizică. Și putem încerca acest experiment. Dar, din păcate, acum este prea ușor pentru toată lumea să observe acest experiment. Dar poate putem încerca cu un singur martor? Cine ar putea veni aici și să încerce să urmărească acest experiment?

Uite. Iată un indicator laser, îl strălucim - și ce se întâmplă aici? Nu avem raze X, ci laser optic. Și aceasta nu este structura cristalului, ci imaginea sa, umflată de 10 mii de ori: dar lungimea de undă laser este, de asemenea, de 10 mii de ori lungimea de undă a radiației de raze X și astfel condiția de difracție este îndeplinită din nou - comparabilitatea lungimii de undă. cu perioada rețelei cristaline. Să aruncăm o privire la un obiect în care nu există o structură obișnuită, un lichid. Iată, Oleg, ține această poză, și eu voi străluci cu un laser, vino mai aproape, poza va fi mică, pentru că nu putem proiecta... uite, vezi aici un inel, înăuntru este un punct care caracterizează trecerea directă a grinzii. Dar inelul este difracția din structura neorganizată a lichidului. Dacă avem un cristal în fața noastră, atunci imaginea va fi complet diferită. Vedeți, avem o mulțime de raze care se deviază la unghiuri strict definite.

Oleg (voluntar): Probabil pentru că mai mulți atomi...

Artyom Oganov: Nu, datorită faptului că atomii sunt localizați într-un mod strict definit, putem observa un astfel de model de difracție. Această imagine este foarte simetrică și acest lucru este important. Să-l aplaudăm pe Oleg pentru un experiment strălucit care i-ar fi câștigat Premiul Nobel acum 100 de ani.

Apoi, în anul următor, tatăl și fiul lui Braggie au învățat să descifreze imaginile de difracție, pentru a determina structurile cristaline din acestea. Primele structuri au fost foarte simple, dar acum, datorită celor mai noi metodologii, pentru care a fost acordat Premiul Nobel în 1985, este posibil să se descifreze deja structuri foarte, foarte complexe bazate pe experiment. Iată experimentul pe care eu și Oleg l-am reprodus. Iată structura inițială, aici sunt molecule de benzen, iar Oleg a observat o astfel de imagine de difracție. Acum, cu ajutorul experimentului, se pot descifra structuri foarte complexe, în special structurile cvasicristalelor, iar pentru descoperirea cvasicristalelor, această nouă stare a materiei solide, anul trecut a fost acordat Premiul Nobel pentru Chimie. Cât de dinamică este această zonă, ce descoperiri fundamentale se fac în secolul nostru! Structura proteinelor și a altor molecule active biologic este, de asemenea, descifrată folosind difracția cu raze X, această mare metodă cristalografică.

Deci, cunoaștem diferite stări ale materiei: cristaline și cvasicristaline ordonate, amorfe (stare solidă dezordonată), precum și stare lichidă, gazoasă și diverse stări polimerice ale materiei. Cunoscând structura unei substanțe, puteți prezice multe, multe dintre proprietățile sale și cu un grad ridicat de fiabilitate. Iată structura silicatului de magneziu, un tip de perovskit. Cunoscând pozițiile aproximative ale atomilor, puteți prezice, de exemplu, o proprietate destul de dificilă precum constantele elastice - această proprietate este descrisă de un tensor de rang 4 cu multe componente și puteți prezice această proprietate complexă cu acuratețe experimentală, cunoscând numai pozitia atomilor. Și această substanță este destul de importantă, reprezintă 40% din volumul planetei noastre. Acesta este cel mai comun material de pe Pământ. Și acum puteți înțelege proprietățile acestei substanțe, care există la adâncimi mari, cunoscând doar aranjamentul atomilor.

Aș dori să vorbesc puțin despre modul în care proprietățile sunt legate de structură, despre cum să prezic structura unei substanțe pentru a prezice noi materiale și despre ce s-a făcut folosind acest tip de metode. De ce gheața este mai ușoară decât apa? Știm cu toții că aisbergurile plutesc și nu se scufundă; știm că gheața este întotdeauna la suprafața râului, nu la fund. Ce s-a întâmplat? Este vorba despre structură: dacă te uiți la această structură de gheață, vei vedea goluri hexagonale mari în ea, iar atunci când gheața începe să se topească, moleculele de apă înfundă aceste goluri hexagonale, datorită acestui fapt, densitatea apei devine mai mare decât densitatea gheții. Și putem demonstra cum are loc acest proces. Vă voi arăta un scurtmetraj, urmăriți-l cu atenție. Topirea va începe de la suprafețe, așa cum se întâmplă de fapt, dar acesta este un calcul computerizat. Și vei vedea cum topirea se răspândește spre interior... moleculele se mișcă și vei vedea că aceste canale hexagonale se înfundă și se pierde corectitudinea structurii.

Gheața are mai multe forme diferite, iar forma gheții este foarte interesantă, care se obține prin umplerea golurilor structurii de gheață cu molecule invitate. Dar și structura în sine se va schimba. Vorbesc despre așa-numiții hidrați de gaz sau clatrați. Vedeți un cadru de molecule de apă, în care sunt goluri, în care sunt prezenți molecule sau atomi invitați. Moleculele invitate pot fi metan - gaz natural, poate dioxid de carbon, poate, de exemplu, un atom de xenon, iar fiecare dintre acești hidrați de gaz are o istorie interesantă. Cert este că rezervele de hidrat de metan conțin cu 2 ordine de mărime mai mult gaz natural decât zăcămintele de gaze tradiționale. Depozitele de acest tip sunt situate, de regulă, pe raftul mării și în zonele de permafrost. Problema este că oamenii încă nu au învățat cum să extragă gaze din ele în mod sigur și rentabil. Dacă această problemă va fi rezolvată, atunci omenirea va putea uita de criza energetică, vom avea o sursă aproape inepuizabilă de energie pentru secolele următoare. Hidratul de dioxid de carbon este foarte interesant - poate fi folosit ca o modalitate sigură de a îngropa excesul de dioxid de carbon. Pompezi dioxid de carbon sub o presiune ușoară în gheață și îl arunci pe fundul mării. Această gheață există acolo destul de calm de multe mii de ani. Hidrat de xenon a servit drept explicație pentru anestezia cu xenon, ipoteză care a fost înaintată cu 60 de ani în urmă de marele chimist de cristal Linus Pauling: adevărul este că, dacă unei persoane i se permite să respire cu xenon sub presiune ușoară, o persoană încetează să simtă durere. . A fost și pare să fie uneori folosit acum pentru anestezie în proceduri chirurgicale. De ce?

Xenonul, sub presiune scăzută, formează compuși cu moleculele de apă, formând chiar hidrații de gaz care blochează propagarea unui semnal electric prin sistemul nervos uman. Și semnalul durerii din țesutul operat pur și simplu nu ajunge la mușchi, din cauza faptului că hidratul de xenon se formează doar cu o astfel de structură. Aceasta a fost chiar prima ipoteză, poate că adevărul este puțin mai complicat, dar nu există nicio îndoială că adevărul este aproape. Când vorbim despre astfel de substanțe poroase, nu se poate decât să ne amintim de silicații microporoși, așa-numiții zeoliți, care sunt foarte folosiți în industrie pentru cataliză, precum și pentru separarea moleculelor în timpul cracării petrolului. De exemplu, moleculele octanice și mezooctanice sunt perfect separate de zeoliți: aceasta este aceeași formulă chimică, dar structura moleculelor este ușor diferită: una dintre ele este lungă și subțire, cealaltă este scurtă și groasă. Iar cel subțire trece prin golurile structurii, iar cel gros se elimină, și de aceea astfel de structuri, astfel de substanțe se numesc site moleculare. Aceste site moleculare sunt folosite pentru purificarea apei, în special a apei pe care o bem în robinete, aceasta trebuie să treacă prin filtrare multiplă, inclusiv folosind zeoliți. În acest fel, poți scăpa de poluarea cu o mare varietate de poluanți chimici. Contaminanții chimici sunt uneori extrem de periculoși. Istoria cunoaște exemple despre cum otrăvirea cu metale grele a dus la exemple istorice foarte triste.

Aparent, victimele otrăvirii cu mercur au fost primul împărat al Chinei - Qin Shi Huang Ti și Ivan cel Groaznic, iar așa-numita boală pălărierului nebun este foarte bine studiată, în secolele 18-19 în Anglia o întreagă clasă de oamenii care lucrează în industria pălăriei s-au îmbolnăvit foarte devreme de o boală neurologică numită boala pălăriei nebun. Discursul lor a devenit incoerent, acțiunile lor fără sens, membrele le tremurau incontrolabil și au căzut în demență și nebunie. Corpurile lor erau în permanență în contact cu mercurul, deoarece înmuiau aceste pălării în soluții de săruri de mercur, care intrau în corpurile lor și afectau sistemul nervos. Ivan cel Groaznic a fost un țar foarte progresist, bun, sub 30 de ani, după care s-a schimbat peste noapte - și a devenit un tiran nebun. Când corpul său a fost exhumat, s-a dovedit că oasele sale erau grav deformate și conțineau o concentrație uriașă de mercur. Faptul este că țarul suferea de o formă severă de artrită, iar la acea vreme artrita era tratată prin frecare cu unguente cu mercur - acesta era singurul remediu și, poate, mercurul explică nebunia ciudată a lui Ivan cel Groaznic. Qin Shi Huang Ti, omul care a creat China în forma ei actuală, a domnit timp de 36 de ani, iar în primii 12 ani a fost o păpușă în mâinile mamei sale, regentul, povestea lui este asemănătoare cu cea a lui Hamlet. Mama lui și iubitul ei și-au ucis tatăl și apoi au încercat să scape și de el, o poveste îngrozitoare. Dar, maturizat, a început să conducă singur - și în 12 ani a oprit războiul intestine dintre cele 7 regate ale Chinei, care a durat 400 de ani, a unificat China, a combinat măsurile de greutate, bani, scrierea chineză unificată, el a construit Marele Zid Chinezesc, a construit 6, 5 mii de kilometri de autostrăzi care sunt încă în folosință, canale care sunt încă în uz și totul a fost făcut de o singură persoană, dar în ultimii ani a suferit de o formă ciudată de nebunie maniacală. Alchimiștii săi, pentru a-l face nemuritor, i-au dat pastile de mercur, ei credeau că acest lucru îl va face nemuritor, drept urmare, acest om, aparent distins printr-o sănătate remarcabilă, a murit înainte de a împlini 50 de ani, iar ultimii ani de această scurtă viață a fost înnebunită de nebunie. Otrăvirea cu plumb poate să fi făcut mulți împărați romani victime ale acesteia: la Roma exista un sistem de alimentare cu apă cu plumb, un apeduct și se știe că, cu otrăvirea cu plumb, anumite părți ale creierului se contractă, se poate vedea chiar și pe imaginile tomografice, inteligența scade, IQ-ul scade, o persoană devine foarte agresivă... Intoxicația cu plumb este încă o problemă mare în multe orașe și țări. Pentru a scăpa de aceste tipuri de efecte nedorite, trebuie să dezvoltăm noi materiale care să curețe mediul.

Materialele interesante, care nu sunt pe deplin explicate, sunt supraconductori. Supraconductivitatea a fost descoperită și în urmă cu 100 de ani. Acest fenomen este în multe privințe exotic, a fost descoperit într-un mod aleatoriu. Pur și simplu au răcit mercurul în heliu lichid, au măsurat rezistența electrică, s-a dovedit că scade exact la zero, iar mai târziu s-a dovedit că supraconductorii împing complet câmpul magnetic și sunt capabili să leviteze în câmpul magnetic. Aceste două caracteristici ale supraconductorilor sunt utilizate pe scară largă în aplicații de înaltă tehnologie. Tipul de supraconductivitate care a fost descoperit acum 100 de ani a fost explicat, a fost nevoie de o jumătate de secol pentru a se explica, această explicație a adus premiul Nobel lui John Bardeen și colegilor săi. Dar apoi, în anii 80, deja în secolul nostru, a fost descoperit un nou tip de supraconductivitate, iar cei mai buni supraconductori aparțin chiar acestei clase - supraconductori de înaltă temperatură pe bază de cupru. O caracteristică interesantă este că o astfel de supraconductivitate încă nu are nicio explicație. Supraconductorii au multe aplicații. De exemplu, cu ajutorul supraconductorilor se creează cele mai puternice câmpuri magnetice, iar aceasta este folosită în imagistica prin rezonanță magnetică. Trenurile cu levitare magnetică sunt o altă aplicație și iată o fotografie pe care am făcut-o personal în Shanghai cu un astfel de tren - puteți vedea indicatorul de viteză la 431 de kilometri pe oră. Supraconductorii sunt uneori foarte exotici: supraconductorii organici sunt cunoscuți de peste 30 de ani, adică supraconductori pe bază de carbon, se pare, chiar și diamantul poate fi transformat în supraconductor prin introducerea unei cantități mici de atomi de bor în el. Grafitul poate fi, de asemenea, transformat în supraconductor.

Iată și o paralelă istorică interesantă despre modul în care proprietățile materialelor sau ignoranța lor pot avea consecințe fatale. Două povești care sunt foarte frumoase, dar, aparent, sunt greșite din punct de vedere istoric, dar le voi spune totuși, pentru că o poveste frumoasă este uneori mai bună decât o poveste adevărată. În literatura de populară științifică, de fapt, puteți găsi adesea referiri la modul în care efectul ciumei de staniu - și iată mostra ei - a distrus expedițiile lui Napoleon în Rusia și ale căpitanului Scott la Polul Sud. Faptul este că, la o temperatură de 13 grade Celsius, staniul suferă o tranziție de la metal (aceasta este staniu alb) la staniu gri, un semiconductor, în timp ce densitatea scade brusc - iar staniul se destramă. Aceasta se numește „ciuma de staniu” - tabla pur și simplu se sfărâmă în praf. Și iată o poveste pentru care nu am văzut o explicație completă. Napoleon vine în Rusia cu o armată de 620 de mii, dă doar câteva bătălii relativ mici - și doar 150 de mii de oameni ajung la Borodino. Vine 620, la Borodino aproape fără luptă vin 150 de mii. Sub Borodin, au mai fost aproximativ 40 de mii de victime, apoi retragerea de la Moscova - și 5 mii au supraviețuit la Paris. Apropo, retragerea a fost aproape fără luptă. Ce se întâmplă? Cum să aluneci de la 620 de mii la 5 mii fără luptă? Există istorici care susțin că ciuma de tablă este de vină pentru toate: nasturii uniformelor soldaților erau din tablă, tabla s-a prăbușit de îndată ce a intrat vremea rece, iar soldații erau practic goi în gerul rusesc. . Problema este că butoanele au fost făcute din tablă murdară, care este rezistentă la ciuma de cositor.

Foarte des puteți vedea în presa științifică populară o mențiune despre faptul că căpitanul Scott, conform diverselor versiuni, fie căra cu el avioane, în care rezervoarele de combustibil aveau lipituri de cositor, fie conserve în cutii de tablă - staniul s-a prăbușit din nou. , iar expediția a murit de foame și frig. De fapt, am citit jurnalele căpitanului Scott - nu a menționat niciun avion, avea un fel de snowmobile, dar din nou nu scrie despre rezervorul de combustibil și nici despre conserve. Deci aceste ipoteze par a fi greșite, dar foarte interesante și instructive. Și amintirea despre efectul ciumei de staniu este în orice caz utilă dacă mergi într-un climat rece.

Iată o altă experiență și aici am nevoie de apă clocotită. Un alt efect asociat materialelor și structurii acestora, care nu i-ar fi apărut nimănui, este efectul de memorie a formei, descoperit și el destul de întâmplător. În această ilustrație, puteți vedea că colegii mei au făcut două litere din acest fir: TU, Universitatea Tehnică, au călit această formă la temperaturi ridicate. Dacă o formă este întărită la o temperatură ridicată, materialul își va aminti această formă. Poți să faci o inimă, de exemplu, să o dai iubitului tău și să spui: această inimă își va aminti pentru totdeauna sentimentele mele... apoi această formă poate fi distrusă, dar de îndată ce o pui în apă fierbinte, forma este restabilită, arata ca o magie. Tocmai ai spart această formă, dar ai pus-o în apă fierbinte - forma este restabilită. Și toate acestea se întâmplă datorită unei transformări structurale foarte interesante și destul de subtile care are loc în acest material la o temperatură de 60 de grade Celsius, motiv pentru care este nevoie de apă caldă în experimentul nostru. Și aceeași transformare are loc în oțel, dar în oțel are loc prea lent - și nu apare memoria efectului formei. Imaginați-vă, dacă și oțelul ar arăta un astfel de efect, am trăi într-o lume complet diferită. Efectul memoriei formei își găsește multe întrebuințări: aparat dentar, șunturi cardiace, piese de motor din avioane pentru reducerea zgomotului, aderențe în conductele de gaz și petrol. Acum am nevoie de un alt voluntar... te rog, cum te cheamă? Vika? Vom avea nevoie de ajutorul lui Vicky cu acest fir, este un fir cu memorie de formă. Același aliaj de nitinol, un aliaj de nichel și titan. Acest fir a fost temperat sub forma unui fir drept și el își va aminti pentru totdeauna această formă. Vika, ia o bucată din acest fir și răsuciți-o în toate felurile posibile, fă-o cât mai indirect posibil, doar nu lega nodurile: nodul nu se va desface. Și acum scufundați-l în apă clocotită, iar firul își va aminti această formă... ei bine, cum s-a îndreptat? Acest efect poate fi observat pentru totdeauna, probabil că l-am văzut de o mie de ori, dar de fiecare dată, ca un copil, mă uit și admir ce efect frumos. Să o aplaudăm pe Vika. Ar fi grozav dacă am putea învăța să prezicem astfel de materiale pe un computer.

Și aici sunt proprietățile optice ale materialelor, care sunt, de asemenea, complet non-triviale. Se dovedește că multe materiale, aproape toate cristale, împart un fascicul de lumină în două fascicule care se deplasează în direcții diferite și cu viteze diferite. Drept urmare, dacă te uiți printr-un cristal la un fel de inscripție, atunci inscripția va fi întotdeauna ușor dublată. Dar, de regulă, nu se poate distinge pentru ochii noștri. În unele cristale, acest efect este atât de puternic încât puteți vedea de fapt două inscripții.

Întrebare din partea publicului: Ai spus - la viteze diferite?

Artem Oganov: Da, viteza luminii este constantă doar în vid. În mediile condensate, este mai scăzută. Mai mult, suntem obișnuiți să ne gândim că fiecare material are o anumită culoare. Rubinul este roșu, safirul este albastru, dar se dovedește că culoarea poate depinde și de direcție. În general, una dintre principalele caracteristici ale unui cristal este anizotropia - dependența proprietăților de direcție. Proprietățile în această direcție și în această direcție diferă. Iată cordierita minerală, în care culoarea se schimbă în direcții diferite de la galben-maroniu la albastru, este unul și același cristal. Ma crede cineva? Am adus special un cristal de cordierit, asa ca te rog... uite ce culoare?

Întrebare din partea publicului: Pare alb, dar așa...

Artem Oganov: De la puțină lumină, cum ar fi albul, până la violet, doar învârți cristalul. De fapt, există o legendă islandeză despre modul în care vikingii au descoperit America. Și mulți istorici văd această legendă ca o indicație a utilizării acestui efect. Când vikingii s-au pierdut în mijlocul Oceanului Atlantic, regele lor a scos o anumită piatră a soarelui, iar în lumina crepusculară a reușit să determine direcția spre vest și astfel au navigat spre America. Nimeni nu știe ce este o piatră a soarelui, dar mulți istorici cred că o piatră a soarelui este ceea ce Vika ține în mâinile ei, cordierita, apropo, cordierita se găsește în largul coastei Norvegiei și, cu ajutorul acestui cristal, poți naviga cu adevărat în crepuscul, în lumina serii, precum și în latitudinile polare. Iar acest efect a fost folosit de US Air Force până în anii 50, când a fost înlocuit cu metode mai avansate. Și iată un alt efect interesant - alexandrit, dacă are cineva vreo dorință, am adus un cristal de alexandrit sintetic, iar culoarea acestuia se schimbă în funcție de sursa de lumină: lumină de zi și electrică. Și, în sfârșit, un alt efect interesant pe care oamenii de știință și criticii de artă nu l-au putut înțelege timp de multe secole. Vasul Lycurgus este un obiect care a fost realizat de artizani romani acum peste 2 mii de ani. În lumină difuză, acest vas este verde, iar în lumină transmisă, este roșu. Și am reușit să înțeleg asta acum câțiva ani. S-a dovedit că bolul nu este făcut din sticlă pură, ci conține nanoparticule de aur, care creează acest efect. Acum înțelegem natura culorii - culoarea este asociată cu anumite intervale de absorbție, cu structura electronică a materiei, iar aceasta, la rândul său, este asociată cu structura atomică a materiei.

Întrebare din partea publicului: Pot fi explicate conceptele de „reflectat” și „trecere”?

Artem Oganov: Poate sa! Apropo, observ că tocmai aceste spectre de absorbție determină de ce cordierita are o culoare diferită în direcții diferite. Faptul este că însăși structura cristalului - în special cordierita - arată diferit în direcții diferite, iar lumina în aceste direcții este absorbită în moduri diferite.

Ce este lumina alba? Acesta este întregul spectru de la roșu la violet, iar când lumina trece prin cristal, o parte din acest interval este absorbită. De exemplu, un cristal poate absorbi albastrul și care va fi rezultatul, puteți vedea din acest tabel. Dacă absorbiți razele albastre, atunci rezultatul va fi portocaliu, adică atunci când vedeți ceva portocaliu, știți că această substanță absoarbe în intervalul albastru. Lumina difuză este atunci când aveți același castron de Lycurgus pe masă, lumina cade, iar o parte din această lumină este împrăștiată și intră în ochi. Difuzarea luminii se supune unor legi complet diferite și, în special, depinde de granularea obiectului. Datorită difuziei luminii, cerul este albastru. Există o lege de împrăștiere Rayleigh care poate explica aceste culori.

V-am arătat cum sunt asociate proprietățile cu o structură. Și cum puteți prezice structura cristalului, ne vom uita acum pe scurt. Aceasta înseamnă că problema prezicerii structurilor cristaline a fost considerată de nerezolvată până de curând. Problema în sine este formulată după cum urmează: cum să găsim aranjamentul atomilor care oferă cea mai mare stabilitate - adică cea mai mică energie? Cum să o facă? Puteți, desigur, să enumerați toate opțiunile pentru aranjarea atomilor în spațiu, dar se dovedește că există atât de multe astfel de opțiuni încât nu veți avea suficientă viață pentru a le enumera, de fapt, chiar și pentru sisteme destul de simple, să zicem , cu 20 de atomi, veți avea nevoie de mai mult decât durata de viață a universului pentru a rezolva toate aceste combinații posibile pe computer. Prin urmare, s-a crezut că această sarcină este de nerezolvat. Cu toate acestea, am reușit să rezolvăm această problemă, în plus, prin mai multe metode, iar cea mai eficientă metodă, deși poate suna nemodesta, a fost dezvoltată de grupul meu. Metoda se numește „Succes”, „USPEX”, o metodă evolutivă, un algoritm evolutiv, a cărui esență voi încerca să vă explic acum. Sarcina este echivalentă cu găsirea maximului global pe o suprafață multidimensională - pentru simplitate, luați în considerare o suprafață bidimensională, suprafața Pământului, unde trebuie să găsiți cel mai înalt munte fără a avea hărți. Să o spunem astfel, așa cum a spus colegul meu australian Richard Clegg - este australian, îi iubește cangurii, iar în formularea sa cu ajutorul cangurilor, suficiente animale neinteligente, trebuie să determinați cel mai înalt punct de pe suprafața pământul. Cangurul înțelege doar instrucțiuni simple - urcă, coboară. În algoritmul evolutiv, aruncăm o aterizare de canguri, aleatoriu, în diferite părți ale planetei și le dăm fiecăruia o instrucțiune: urcă în vârful celui mai apropiat deal. Și ei pleacă. Când acești canguri ajung la Sparrow Hills, de exemplu, și când ajung în Elbrus, poate fi, iar cei dintre ei care nu au ajuns sus sunt eliminați și împușcați înapoi. Vine un vânător, aproape spunea un artist, vine un vânător și trage, iar cei care au supraviețuit primesc dreptul de a se reproduce. Și datorită acestui lucru, este posibil să selectați cele mai promițătoare zone din întreg spațiul de căutare. Și pas cu pas, împușcând canguri din ce în ce mai înalți, vei muta populația de canguri la maximul global. Cangurii vor produce descendenți din ce în ce mai de succes, vânătorii vor împușca din ce în ce mai mulți canguri cățăratori și astfel această populație poate fi pur și simplu condusă spre Everest.

Și aceasta este esența metodelor evolutive. De dragul simplității, omit detaliile tehnice despre cum a fost implementat acest lucru. Și iată o altă implementare bidimensională a acestei metode, aici este suprafața energiilor, trebuie să găsim cel mai albastru punct, aici sunt structurile noastre inițiale, aleatorii - acestea sunt punctele îndrăznețe. Calculul înțelege imediat care sunt proaste, aici - în zonele roșii și galbene, care dintre ele sunt cele mai promițătoare: în zonele albastre, verzui. Și pas cu pas densitatea testării celor mai promițătoare zone crește până când găsim cea mai potrivită, cea mai stabilă structură. Există diferite metode de predicție a structurilor - metode de căutare aleatorie, recoacere artificială și așa mai departe, dar cea mai puternică metodă s-a dovedit a fi aceasta evolutivă.

Cel mai dificil lucru este cum să produci descendenți de la părinți pe computer. Cum să iei structurile două părinți și să le transformi într-un copil? De fapt, pe computer, poți face copii nu numai din doi părinți, noi am experimentat, noi din trei, și din patru am încercat să o facem. Dar, după cum se dovedește, acest lucru nu duce la nimic bun, la fel ca în viață. Un copil este mai bine să aibă doi părinți. Apropo, funcționează și un părinte, doi părinți sunt optimi, iar trei sau patru nu mai lucrează. Metoda evolutivă are câteva caracteristici interesante care, apropo, o fac asemănătoare cu evoluția biologică. Vedem cât de bine organizate, foarte ordonate ies soluții din structurile neadaptate, aleatorii de la care începem calculul. Vedem că calculele sunt cele mai eficiente atunci când populația structurilor este cea mai diversă. Cele mai stabile și cele mai supraviețuitoare populații sunt populațiile de diversitate. De exemplu, ceea ce îmi place la Rusia este că există peste 150 de popoare în Rusia. Sunt cu părul blond, sunt cu părul negru, sunt tot felul de oameni de naționalitate caucaziană ca mine și toate acestea oferă populației ruse stabilitate și viitor. Populațiile monotone nu au viitor. Acest lucru poate fi văzut din calculele de eficiență foarte clar.

Putem prezice că grafitul este forma stabilă de carbon la presiunea atmosferică? Da. Acest calcul este foarte rapid. Dar, pe lângă grafit, producem mai multe soluții interesante puțin mai puțin stabile în același calcul. Și aceste soluții pot fi și ele interesante. Dacă creștem presiunea, grafitul este deja instabil. Un diamant este stabil și îl găsim foarte ușor. Vedeți cum calculul produce rapid un diamant din structurile inițiale dezordonate. Dar înainte de a fi găsit un diamant, sunt produse o serie de structuri interesante. De exemplu, această structură. În timp ce diamantul are inele hexagonale, inelele cu 5 și 7 laturi sunt vizibile aici. Această structură este doar puțin inferioară ca stabilitate față de diamant și la început ne-am gândit că este o curiozitate, iar apoi s-a dovedit că aceasta este o formă nouă, cu adevărat existentă de carbon, care a fost recent stabilită de noi și colegii noștri. Acest calcul a fost făcut la 1 milion de atmosfere. Dacă creștem presiunea la 20 de milioane de atmosfere, diamantul va înceta să mai fie stabil. Și în loc de diamant, o structură foarte ciudată va fi stabilă, a cărei stabilitate pentru carbon la astfel de presiuni a fost ghicită de multe decenii, iar calculul nostru confirmă acest lucru.

S-au făcut multe atât de noi, cât și de colegii noștri folosind această metodă, iată o mică selecție de descoperiri diferite. Să vă spun doar câteva dintre ele.

Folosind această metodă, puteți înlocui descoperirea de laborator a materialelor cu una computerizată. În descoperirea de laborator a materialelor, Edison a fost campionul de neîntrecut, care a spus: „Nu am suferit 10 mii de eșecuri, am găsit doar 10 mii de moduri care nu funcționează”. Aceasta vă spune de câte încercări sunt necesare, încercări nereușite de a face înainte de a face o descoperire reală prin această metodă, iar cu ajutorul designului computerizat puteți obține succes într-o încercare din 1, în 100 din 100, în 10 mii din de 10 mii, acesta este scopul nostru este de a înlocui metoda lui Edison cu ceva mult mai productiv.

Acum putem optimiza nu numai energia, ci și orice proprietate. Cea mai simplă proprietate este densitatea, iar diamantul este cel mai dens material cunoscut până acum. Almaz este, în general, un deținător de record în multe privințe. Un centimetru cub de diamant conține mai mulți atomi decât un centimetru cub de orice altă substanță. Diamantul deține recordul de duritate și este, de asemenea, substanța cel mai puțin compresibilă cunoscută. Aceste recorduri pot fi doborâte? Acum putem pune această întrebare computerului, iar computerul va da răspunsul. Și răspunsul este da, unele dintre aceste recorduri pot fi doborâte. S-a dovedit că densitatea unui diamant este destul de ușor de învins, există forme mai dense de carbon care au dreptul de a exista, dar nu au fost încă sintetizate. Aceste forme de carbon bat diamantul nu numai ca densitate, ci și ca proprietăți optice. Vor avea indici de refracție mai mari și dispersie luminoasă - ce înseamnă asta? Indicele de refracție al unui diamant îi conferă diamantului strălucirea sa de neegalat și reflexia internă a luminii - iar dispersia luminii înseamnă că lumina albă se va împărți într-un spectru roșu spre violet chiar mai mult decât o face un diamant. Apropo, aici este materialul care înlocuiește adesea diamantul în industria de bijuterii - zirconiu cubic, zirconiu cubic. Depășește diamantul în dispersia luminii, dar, din păcate, este inferior diamantului în strălucire. Și noile forme de carbon vor învinge diamantul din ambele puncte. Dar duritatea? Până în 2003, se credea că duritatea este o proprietate pe care oamenii nu vor învăța niciodată să o prezică și să calculeze, în 2003 totul s-a schimbat odată cu munca oamenilor de știință chinezi, iar în această vară am vizitat Universitatea Yangshan din China, unde am primit o altă diplomă de profesor onorific, iar acolo l-am vizitat pe fondatorul acestei teorii. Am reușit să dezvoltăm această teorie.

Iată un tabel care arată cum determinările de duritate calculate sunt de acord cu experimentul. Pentru majoritatea substanțelor normale, acordul este excelent, dar pentru grafit, modelele au prezis că ar trebui să fie superhard, ceea ce este evident incorect. Am reușit să înțelegem și să remediam această eroare. Și acum, folosind acest model, anticipăm în mod fiabil duritatea oricărei substanțe și putem pune computerului următoarea întrebare: care substanță este cea mai dură? Diamantul poate fi depășit ca duritate? Oamenii s-au gândit de fapt la asta de multe, multe decenii. Deci, care este cea mai grea structură pentru carbon? Răspunsul a fost descurajator: diamant, și nimic mai dur în carbon nu poate fi. Dar puteți găsi structuri de carbon care vor fi apropiate ca duritate de diamant. Structurile de carbon care sunt aproape de duritatea diamantului au într-adevăr dreptul de a exista. Și una dintre ele este cea pe care v-am arătat-o mai devreme, cu canale de 5 și 7 membri. Dubrovinsky în 2001, în literatură a fost propusă o substanță ultra-solidă, dioxidul de titan; se credea că în ceea ce privește duritatea nu era cu mult inferioară diamantului, dar existau îndoieli. Experimentul a fost destul de controversat. Aproape toate măsurătorile experimentale din acea lucrare au fost mai devreme sau mai târziu infirmate: a fost foarte dificil de măsurat duritatea, din cauza dimensiunii mici a probelor. Dar calculul a arătat că duritatea a fost măsurată în mod eronat în acel experiment, iar duritatea reală a dioxidului de titan este de aproximativ 3 ori mai mică decât ceea ce au susținut experimentatorii. Deci, cu ajutorul acestui tip de calcule, se poate chiar judeca care experiment este de încredere, care nu, atât de mult aceste calcule au ajuns acum la o precizie ridicată.

Mai este o poveste legată de carbon pe care aș vrea să vă spun – a fost deosebit de violentă în ultimii 6 ani. Dar a început acum 50 de ani, când cercetătorii americani au efectuat un astfel de experiment: au luat grafit și l-au comprimat la o presiune de aproximativ 150-200 de mii de atmosfere. Dacă grafitul este comprimat la temperaturi ridicate, acesta trebuie să se transforme în diamant, cea mai stabilă formă de carbon la presiuni mari - așa se sintetizează diamantul. Dacă faceți acest experiment la temperatura camerei, diamantul nu se poate forma. De ce? Deoarece rearanjarea structurii, care este necesară pentru transformarea grafitului în diamant, este prea mare, aceste structuri sunt prea diferite, iar bariera energetică care trebuie depășită este prea mare. Și în loc de formarea diamantelor, vom observa formarea unei alte structuri, nu cea mai stabilă, ci cea cu cea mai joasă barieră de formare. Am propus o astfel de structură - și am numit-o M-carbon, aceasta este aceeași structură cu inele cu 5 și 7 membri; prietenii mei armeni îi spun în glumă „Muglerod-Shmuglerod”. S-a dovedit că această structură descrie pe deplin rezultatele acelui experiment vechi de 50 de ani, iar experimentul a fost repetat de multe ori. Experiența, de altfel, este foarte frumoasă - prin comprimarea grafitului (un semimetal negru, moale opac) la temperatura camerei, sub presiune, cercetătorii au obținut un nemetal transparent superdur: o transformare absolut fantastică! Dar acesta nu este un diamant, proprietățile sale nu sunt în concordanță cu diamantul, iar structura noastră ipotetică a descris apoi pe deplin proprietățile acestei substanțe. Am fost teribil de fericiți, am scris un articol și l-am publicat în prestigioasa jurnală Physical Review Letters și ne-am odihnit pe lauri exact un an. Un an mai târziu, oamenii de știință americani și japonezi au găsit o nouă structură care era complet diferită de aceasta, aceasta, cu inele cu 4 și 8 membri. Această structură este complet diferită de a noastră, dar descrie aproape la fel de bine datele experimentale. Problema este că datele experimentale erau de rezoluție scăzută și multe alte structuri erau potrivite pentru ele. Au trecut alte șase luni, un chinez pe nume Wang a sugerat W-carbon, iar W-carbon a explicat și datele experimentale. Curând povestea a devenit grotesc - noi grupuri chineze s-au alăturat acesteia, iar chinezii le place să producă și au ștampilat aproximativ 40 de structuri și toate se potrivesc cu datele experimentale: P-, Q-, R-, S-carbon, Q-carbon. , X -, Y-, Z-carbon, M10-carbon este cunoscut, X'-carbon și așa mai departe - alfabetul lipsește deja. Deci cine are dreptate? În general, M-carbon-ul nostru a avut inițial exact același număr de pretenții de a avea dreptate ca toți ceilalți.

Un răspuns din partea publicului: Toată lumea are dreptate.

Artem Oganov: Nici asta nu se întâmplă! Cert este că natura alege întotdeauna soluții extreme. Nu numai oamenii sunt extremiști, ci și natura este extremistă. La temperaturi ridicate, natura alege cea mai stabilă stare, pentru că la temperaturi ridicate, poți trece prin orice barieră energetică, iar la temperaturi scăzute, natura alege cea mai mică barieră și poate exista un singur câștigător. Nu poate fi decât un singur campion - dar cine anume? Puteți face un experiment de înaltă rezoluție, dar oamenii au încercat timp de 50 de ani și nimeni nu a reușit, toate rezultatele au fost de proastă calitate. Puteți face un calcul. Și în calcul, s-ar putea lua în considerare barierele de activare în calea formării tuturor acestor 40 de structuri. Dar, în primul rând, chinezii încă produc structuri noi și noi și, indiferent cât de mult ai încerca, vor mai exista unii chinezi care vor spune: dar mai am o structură și le vei număra pentru restul tău. viata.bariere de activare pana cand esti trimis la o odihna binemeritata. Aceasta este prima dificultate. A doua dificultate este că este foarte, foarte dificil de numărat barierele de activare în transformările în stare solidă, aceasta este o sarcină extrem de netrivială, sunt necesare metode speciale și computere puternice. Cert este că aceste transformări nu au loc în întregul cristal, ci mai întâi într-un mic fragment - embrion, apoi se răspândesc în embrion și mai departe. Iar modelarea acestui embrion este o sarcină extrem de dificilă. Dar am găsit o astfel de metodă, o metodă care fusese dezvoltată mai devreme de oamenii de știință austrieci și americani și am adaptat-o la sarcina noastră. Am reușit să modificăm această metodă astfel încât dintr-o singură lovitură să reușim să rezolvăm această problemă odată pentru totdeauna. Am pus problema după cum urmează: dacă începeți cu grafit, starea inițială este specificată rigid, iar starea finală este dată vag - orice formă tetraedrică, hibridizată cu sp3 de carbon (și acestea sunt stările pe care le așteptăm sub presiune), care dintre bariere va fi minim? Această metodă este capabilă să numere bariere și să găsească bariera minimă, dar dacă stabilim starea finală ca un ansamblu de structuri diferite, atunci putem rezolva problema complet. Am început calculul cu calea transformării grafit - diamant ca „sămânță”, știm că această transformare nu se observă în experiment, dar ne-a interesat ce ar face calculul cu această transformare. Am așteptat puțin (de fapt, acest calcul a durat șase luni pe un supercomputer) - și în loc de un diamant, calculul ne-a dat M-carbon.

În general, trebuie să spun, sunt o persoană extrem de norocoasă, am avut 1/40 de șanse de câștig, pentru că erau vreo 40 de structuri care aveau șanse egale de câștig, dar am scos din nou biletul de loterie. M-carbon-ul nostru a câștigat, ne-am publicat rezultatele în prestigioasa nouă jurnală Scientific Reports, noul jurnal al grupului Nature, iar la o lună după ce am publicat rezultatele noastre teoretice, aceeași jurnală a publicat rezultatele unui experiment de înaltă rezoluție, pt. prima dată în 50 de ani.primit. Cercetătorii de la Universitatea Yale au făcut un experiment de înaltă rezoluție și au testat toate aceste structuri și s-a dovedit că doar M-carbon se potrivește tuturor datelor experimentale. Și acum în lista formelor de carbon există un alt alotrop al carbonului stabilit experimental și teoretic, M-carbon.

Voi aminti încă o transformare alchimică. Sub presiune, este de așteptat ca toate substanțele să se transforme într-un metal, mai devreme sau mai târziu orice substanță va deveni un metal. Și ce se va întâmpla cu substanța, care este deja metal de la început? De exemplu sodiu. Sodiul nu este deloc doar un metal, ci un metal uimitor descris de modelul cu electroni liberi, adică este cazul limitativ al unui metal bun. Ce se întâmplă dacă sodiul este stors? Se pare că sodiul nu va mai fi un metal bun - la început, sodiul se va transforma într-un metal unidimensional, adică electricitatea va conduce doar într-o singură direcție. La presiuni mai mari, am prezis că sodiul își va pierde total metalicitatea și se va transforma într-un dielectric transparent roșcat, iar dacă presiunea ar crește și mai mult, ar deveni incolor, ca un pahar. Deci – iei un metal argintiu, îl stoarce – la început se transformă într-un metal rău, negru ca cărbunele, strângi mai departe – se transformă într-un cristal transparent roșcat care arată ca un rubin, apoi devine alb ca un pahar. Am prezis-o, iar revista Nature, unde am trimis-o, a refuzat să-l publice. Editorul a returnat textul în câteva zile și a spus: nu credem, e prea exotic. Am găsit un experimentator, Mikhail Eremts, care era gata să testeze această predicție și iată rezultatul. La 110 Gigapascal, adică 1,1 milioane de atmosfere, este încă un metal argintiu; la 1,5 milioane de atmosfere, este metal negru ca cărbune, rău. La 2 milioane de atmosfere, este un nemetal transparent, roșcat. Și deja cu acest experiment, am publicat foarte ușor rezultatele noastre. Aceasta, de altfel, este o stare destul de exotică a materiei, deoarece electronii nu mai sunt mânjiți în spațiu (ca în metale) și nu sunt localizați pe atomi sau legături (ca în substanțele ionice și covalente) - electroni de valență, care asigurau metalitatea. la sodiu, sunt prinși în spațiul gol, unde nu există atomi și sunt foarte puternic localizați. O astfel de substanță poate fi numită electridă, adică sare, unde rolul ionilor încărcați negativ, anionii, nu este jucat de atomi (să zicem, fluor, clor, oxigen), ci de mănunchiuri de densitate de electroni, iar forma noastră de sodiu este cel mai simplu și mai izbitor exemplu de electridă cunoscut.

Puteți folosi acest tip de calcule pentru a înțelege substanța interiorului pământului și planetar. Învățăm despre starea interiorului pământului în principal din date indirecte, din date seismologice. Știm că există un nucleu al Pământului metalic, în principal fier, și o înveliș nemetalic, format din silicați de magneziu, numită manta, iar la suprafață se află o crustă subțire de pământ pe care trăim și care stim foarte multe OK. Iar interiorul Pământului ne este aproape complet necunoscut. Prin testare directă, putem studia doar suprafața Pământului. Cea mai adâncă sondă este superadâncul Kola, adâncimea sa este de 12,3 kilometri, forată în URSS, nimeni nu a putut să foreze mai departe. Americanii au încercat să foreze, au fost frântiți în acest proiect și l-au oprit. Au investit sume uriașe în URSS, au forat până la 12 kilometri, apoi a avut loc perestroika, iar proiectul a fost înghețat. Dar raza Pământului este de 500 de ori mai mare și chiar și forajul superadânc Kola a forat doar suprafața planetei. Dar substanța adâncurilor Pământului determină fața Pământului: cutremure, vulcanism, deriva continentală. În miezul Pământului se formează un câmp magnetic, la care nu vom ajunge niciodată. Convecția nucleului exterior topit al Pământului este responsabilă pentru formarea câmpului magnetic al Pământului. Apropo, miezul interior al Pământului este solid, iar exteriorul este topit, este ca o bomboană de ciocolată cu ciocolată topită, iar în interior este o nucă - așa vă puteți imagina miezul Pământului. Convecția învelișului solid al Pământului este foarte lentă, viteza sa este de ordinul a 1 centimetru pe an; curenții mai fierbinți urcă, cei mai reci coboară, iar aceasta este mișcarea convectivă a mantalei Pământului și este responsabilă de deriva continentală, vulcanism, cutremure.

O întrebare importantă este care este temperatura în centrul Pământului? Cunoaștem presiunea din modelele seismologice, dar aceste modele nu dau temperatură. Temperatura este definită după cum urmează: știm că miezul interior este solid, miezul exterior este lichid și că miezul este format din fier. Astfel, dacă cunoașteți punctul de topire al fierului la acea adâncime, atunci știți temperatura miezului la acea adâncime. S-au făcut experimente, dar au dat o incertitudine de 2 mii de grade și s-au făcut calcule, iar calculele au pus capăt acestei întrebări. Temperatura de topire a fierului la marginea miezului interior și exterior a fost de aproximativ 6,4 mii de grade Kelvin. Dar când geofizicienii au aflat despre acest rezultat, s-a dovedit că această temperatură este prea mare pentru a reproduce corect caracteristicile câmpului magnetic al Pământului - această temperatură este prea mare. Și atunci fizicienii și-au amintit că, de fapt, nucleul nu este fier pur, ci conține diverse impurități. Încă nu știm exact care, dar printre candidați se numără oxigenul, siliciul, sulful, carbonul, hidrogenul. Variind diferite impurități, comparând efectele acestora, s-a putut înțelege că temperatura de topire ar trebui să fie scăzută cu aproximativ 800 de grade. 5600 de grade Kelvin este o astfel de temperatură la granița nucleelor interioare și exterioare ale Pământului, iar această estimare este în prezent general acceptată. Acest efect de scădere a temperaturii impurităților, o scădere eutectică a punctului de topire, este bine cunoscut, datorită acestui efect, încălțămintea noastră suferă iarna - drumurile sunt stropite cu sare pentru a scădea punctul de topire al zăpezii, și datorita acestei zapezi solide, gheata se transforma in stare lichida, iar pantofii nostri sufera de aceasta apa sarata.

Dar poate cel mai puternic exemplu al aceluiași fenomen este aliajul de lemn - un aliaj care constă din patru metale, există bismut, plumb, staniu și cadmiu, fiecare dintre aceste metale are un punct de topire relativ ridicat, dar efectul de scădere reciprocă a punctul de topire funcționează atât de mult încât aliajul de lemn se topește în apă clocotită. Cine vrea să facă această experiență? Apropo, am cumpărat pe piața neagră această probă de aliaj Wood's din Erevan, ceea ce probabil va oferi acestei experiențe un plus de savoare.

Turnați apă clocotită în timp ce eu țin aliajul lui Wood și veți vedea picăturile din aliajul lui Wood căzând în sticlă.

Picături cad - este suficient. Se topește la temperatura apei fierbinți.

Și acest efect are loc în miezul Pământului, din cauza asta, temperatura de topire a aliajului feros scade. Dar acum următoarea întrebare este: din ce constă nucleul? Știm că există mult fier și sunt niște elemente ușoare de impurități, avem 5 candidați. Am început cu cei mai puțin probabili candidați - carbon și hidrogen. Trebuie să spun că până de curând, puțini oameni au acordat atenție acestor candidați, ambii fiind considerați improbabili. Am decis să verificăm. Cu un angajat al Universității de Stat din Moscova Zulfiya Bazhanova, am decis să abordăm această afacere, să prezicăm structuri stabile și compoziții stabile de carburi și hidruri de fier în condițiile nucleului Pământului. Am făcut acest lucru și pentru siliciu, unde nu am găsit surprize speciale - și pentru carbon, s-a dovedit că acei compuși care au fost considerați stabili timp de multe decenii sunt de fapt instabili la presiunile nucleului Pământului. Și se dovedește că carbonul este un candidat foarte bun, de fapt, carbonul singur poate explica multe dintre proprietățile nucleului interior al Pământului în mod ideal, spre deosebire de lucrările anterioare. Hidrogenul s-a dovedit a fi un candidat destul de slab, hidrogenul singur nu poate explica o singură proprietate a nucleului Pământului. Hidrogenul poate fi prezent în cantități mici, dar nu poate fi principalul element de impuritate din miezul Pământului. Pentru hidruri de hidrogen sub presiune, am găsit o surpriză - s-a dovedit că există un compus stabil cu o formulă care contrazice chimia școlară. Un chimist normal cu formula pentru hidruri de hidrogen va scrie FeH 2 și FeH 3, în general, FeH apare sub presiune și au suportat asta - dar faptul că FeH 4 poate apărea sub presiune a fost o adevărată surpriză. Dacă copiii noștri de la școală scriu formula FeH 4, garantez că vor lua o notă proastă la chimie, cel mai probabil chiar și în trimestru. Dar se dovedește că, sub presiune, regulile chimiei sunt încălcate - și apar astfel de compuși exotici. Dar, așa cum am spus, este puțin probabil ca hidrurile de fier să fie importante pentru interiorul Pământului, este puțin probabil ca hidrogenul să fie prezent acolo în cantități semnificative, dar cel mai probabil carbonul este prezent.

Și în sfârșit, ultima ilustrație, despre mantaua Pământului, sau mai bine zis, despre limita dintre nucleu și manta, așa-numitul strat „D”, care are proprietăți foarte ciudate. Una dintre proprietăți a fost anizotropia de propagare a undelor seismice, undele sonore: în direcția verticală și în direcția orizontală, vitezele diferă semnificativ. De ce este așa? Multă vreme nu s-a putut înțelege. Se pare că o nouă structură de silicat de magneziu se formează în stratul de la limita dintre miez și mantaua Pământului. Am reușit să înțelegem asta acum 8 ani. În același timp, noi și colegii noștri japonezi am publicat 2 lucrări în Science and Nature, care au dovedit existența acestei noi structuri. Este imediat evident că această structură arată complet diferită în direcții diferite, iar proprietățile sale ar trebui să difere în direcții diferite - inclusiv proprietățile elastice, care sunt responsabile pentru propagarea undelor sonore. Cu ajutorul acestei structuri, a fost posibil să se explice toate acele anomalii fizice care au fost descoperite și au cauzat probleme timp de mulți, mulți ani. Au reușit chiar să facă mai multe predicții.

În special, pe planete mai mici, cum ar fi Mercur și Marte, nu va exista un strat ca D”. Nu va exista suficientă presiune pentru a stabiliza această structură. De asemenea, a fost posibil să se facă o predicție că, pe măsură ce Pământul se răcește, acest strat ar trebui să crească, deoarece stabilitatea post-perovskitului crește odată cu scăderea temperaturii. Este posibil ca atunci când s-a format Pământul, acest strat să nu fi existat deloc, dar s-a născut în faza timpurie a dezvoltării planetei noastre. Și acum toate acestea pot fi înțelese datorită predicțiilor noilor structuri de substanțe cristaline.

Un răspuns din partea publicului: Datorită unui algoritm genetic.

Artem Oganov: Da, deși această ultimă poveste despre post-perovskit a precedat inventarea acestei metode evolutive. Apropo, ea m-a îndemnat să inventez această metodă.

Un răspuns din partea publicului: Deci, 100 de ani de acest algoritm genetic, nu a făcut-o.

Artem Oganov: Acest algoritm a fost creat de mine și studentul meu absolvent în 2006. Apropo, este greșit să-l numim „genetic”; un nume mai corect este „evluție”. Algoritmii evolutivi au apărut în anii 70 și au găsit aplicații în foarte multe domenii ale tehnologiei și științei. De exemplu, mașini, nave și avioane - sunt optimizate folosind algoritmi evolutivi. Dar pentru fiecare sarcină nouă, algoritmul evolutiv este complet diferit. Algoritmii evolutivi nu sunt o singură metodă, ci un grup uriaș de metode, o zonă imensă de matematică aplicată, iar pentru fiecare tip nou de problemă trebuie inventată o nouă abordare.

Un răspuns din partea publicului: Ce matematică? Genetica este.

Artem Oganov: Aceasta nu este genetică - aceasta este matematică. Și pentru fiecare sarcină nouă, trebuie să-ți inventezi noul algoritm de la zero. Și oamenii au încercat de fapt înaintea noastră să inventeze algoritmi evolutivi și să-i adapteze pentru a prezice structurile cristaline. Dar au luat algoritmi din alte domenii prea literal - și nu a funcționat, așa că a trebuit să creăm o nouă metodă de la zero și s-a dovedit a fi foarte puternică. Deși domeniul algoritmilor evoluționari a existat atâta timp cât am din 1975, a fost nevoie de mult efort pentru a prezice structurile cristaline pentru a crea o metodă de lucru.

Toate aceste exemple pe care vi le-am dat arată cum înțelegerea structurii materiei și capacitatea de a prezice structura materiei conduc la proiectarea de noi materiale care pot avea proprietăți optice, mecanice și electronice interesante. Materiale care alcătuiesc intestinele Pământului și ale altor planete. În acest caz, puteți rezolva o serie întreagă de probleme interesante pe un computer folosind aceste metode. O contribuție uriașă la dezvoltarea acestei metode și aplicarea ei a fost adusă de colegii mei și de peste 1000 de utilizatori ai metodei noastre în diferite părți ale lumii. Toți acești oameni și organizatori ai acestei prelegeri și dumneavoastră - pentru atenția dumneavoastră - permiteți-mi să vă mulțumesc sincer.

Discuție prelegere

Boris Dolgin: Mulțumesc mult! Mulțumesc frumos, Artyom, mulțumesc foarte mult organizatorilor care ne-au oferit o platformă pentru această versiune de prelegeri publice, mulțumim foarte mult RVC, care ne-a susținut în această inițiativă, sunt sigur că cercetările lui Artyom vor continua, ceea ce înseamnă că va apărea material nou pentru prelegerea lui cu noi, aici, pentru că trebuie să spun că o parte din ceea ce s-a auzit astăzi de fapt nu exista la momentul prelegerilor anterioare, așa că are sens.

Întrebare din partea publicului: Vă rog să-mi spuneți cum să asigurați temperatura camerei la o presiune atât de mare? Orice sistem de deformare plastică este însoțit de degajare de căldură. Din păcate, nu ai menționat asta.

Artem Oganov: Ideea este că totul depinde de cât de repede comprimați. Dacă compresia se efectuează foarte repede, de exemplu, în unde de șoc, atunci este însoțită în mod necesar de încălzire, o compresie puternică duce în mod necesar la o creștere a temperaturii. Dacă îl comprimați încet, atunci este suficient timp pentru ca proba să facă schimb de căldură cu mediul său și să intre în echilibru termic cu mediul său.

Întrebare din partea publicului:Și instalarea ți-a permis să faci asta?

Artem Oganov: Experimentul nu a fost realizat de mine, am făcut doar calcule și teorie. Nu mă admit la experiment din cauza cenzurii interne. Iar experimentul a fost realizat în camere cu nicovale de diamant, unde o probă este strânsă între două diamante mici. În astfel de experimente, eșantionul are atât de mult timp pentru a ajunge la echilibrul termic, încât întrebarea nu se pune aici.

- Să ne ocupăm de proiectarea computerizată a materialelor noi. În primul rând, ce este? Domeniul de expertiza? Când apare ideea și această abordare?

- Regiunea este destul de nouă, are doar câțiva ani. În sine, proiectarea pe computer a noilor materiale a fost visul cercetătorilor, tehnologilor, oamenilor de știință fundamentali timp de multe decenii. Pentru că procesul de descoperire a unui nou material cu proprietățile de care aveți nevoie necesită de obicei mulți ani sau chiar zeci de ani de muncă a unor institute și laboratoare întregi. Acesta este un proces foarte costisitor și puteți fi frustrat la sfârșit. Adică nu ești întotdeauna capabil să inventezi un astfel de material. Dar chiar și atunci când ai succes, succesul poate necesita mulți ani de muncă. Acest lucru nu ne convine deloc acum, vrem să inventăm cât mai repede materiale noi, tehnologii noi.

- Puteți da un exemplu de astfel de material care nu funcționează sau nu a fost inventat?

- Oh, sigur. De exemplu, de multe decenii, oamenii au încercat să vină cu un material mai greu decât diamantul. Au existat sute de publicații pe această temă. În unele dintre ele, oamenii au susținut că materialul a fost găsit mai greu decât diamantul, dar apoi inevitabil, după ceva timp (de obicei, nu foarte mult), aceste afirmații au fost infirmate și s-a dovedit că era o iluzie. Până acum, nu a fost găsit un astfel de material și este perfect clar de ce. Cu ajutorul metodelor noastre, am reușit să arătăm că acest lucru este fundamental imposibil, așa că nu există nimic de pierdut chiar și timp.

- Și dacă încerci să explici pur și simplu de ce nu?

- O proprietate precum duritatea are o limită finită pentru fiecare material dat. Dacă luăm toate materialele pe care le putem lua, atunci se dovedește că există o anumită limită superioară globală. Se întâmplă că această limită superioară corespunde diamantului. De ce exact un diamant? Pentru că în această structură sunt îndeplinite simultan mai multe condiții: legături chimice foarte puternice, o densitate foarte mare a acestor legături chimice și sunt distribuite uniform în spațiu. Nu există o direcție mult mai grea decât alta, este o substanță foarte solidă în toate direcțiile. Același grafit, de exemplu, are legături mai puternice decât diamantul, dar toate aceste legături sunt situate în același plan, iar legăturile foarte slabe interacționează între planuri, iar această direcție slabă face ca întregul cristal să fie moale.

- Cum s-a dezvoltat metoda și cum au încercat oamenii de știință să o îmbunătățească?

– Marele Edison a spus, după părerea mea, în legătură cu invenția sa a becului incandescent: „Nu am eșuat de zece mii de ori, ci am găsit doar zece mii de moduri care nu funcționează”. Acesta este stilul tradițional de căutare a materialelor noi, care se numește Edison în literatura științifică. Și din această metodă, desigur, oamenii și-au dorit întotdeauna să se îndepărteze, pentru că necesită un noroc Edison rar și răbdare Edison. Și mult timp, precum și bani. Această metodă nu este foarte științifică, este, mai degrabă, un „tyk” științific. Și oamenii și-au dorit întotdeauna să se îndepărteze de asta. Când au apărut computerele și au început să rezolve probleme mai mult sau mai puțin complexe, imediat a apărut întrebarea: „Este posibil să sortăm toate aceste combinații de condiții diferite, temperatură, presiune, potențiale chimice, compoziție chimică pe un computer în loc să o facem într-un laborator?" La început, speranțele erau foarte mari. Oamenii au privit acest lucru puțin optimiști și euforici, dar în curând toate aceste vise s-au prăbușit în viața de zi cu zi. În principiu, nimic nu poate fi realizat prin metodele prin care oamenii au încercat să rezolve problema.

- De ce?

- Pentru că există infinit de opțiuni pentru aranjarea diferită a atomilor în structura unui cristal și fiecare dintre ele va avea proprietăți complet diferite. De exemplu, diamantul și grafitul sunt una și aceeași substanță și, datorită faptului că structura este diferită, proprietățile lor sunt radical diferite. Deci, pot exista infinite de opțiuni diferite care diferă atât de diamant, cât și de grafit. De unde începi? Unde te vei opri? Cât va dura asta? Și dacă introduceți și o variabilă de compoziție chimică, atunci vă puteți gândi și la un număr infinit de compoziții chimice diferite, iar sarcina devine insuportabil de dificilă. Foarte repede oamenii și-au dat seama că metodele tradiționale standard de rezolvare a acestei probleme nu duc absolut nicăieri. Acest pesimism a îngropat complet primele speranțe pe care oamenii le-au prețuit încă din anii 60.

- Designul computerelor este încă gândit sau cel puțin simțit ca un lucru vizual. Din câte am înțeles, în anii 60, 70 sau 80 aceasta încă nu este o soluție vizuală, ci una matematică, adică este un calcul mai rapid, un calcul.

- După cum înțelegeți, atunci când obțineți numere pe computer, le puteți vizualiza oricând, dar acesta nu este singurul punct.

- În general, aceasta este o întrebare numai a gradului de pregătire a echipamentului pentru a face acest lucru.

- Da. Numărarea numerică este primară, deoarece poți oricând să faci o imagine din numere, și dintr-o imagine, numere, probabil, de asemenea, deși nu foarte precisă. Au existat o serie de publicații celebre de la mijlocul anilor 80 până la mijlocul anilor 90, care au insuflat în cele din urmă pesimismul în domeniul nostru. De exemplu, a existat o publicație minunată în care se spunea că și substanțe atât de simple precum grafitul sau gheața sunt absolut imposibil de prezis. Sau exista un articol numit „Are Crystals Predictable” și primul cuvânt din acel articol era „nu”.

- Ce vrei să spui „sunt previzibile”?

- Sarcina de a prezice structura cristalului se află în centrul întregului domeniu al designului de noi materiale. Deoarece structura determină proprietățile unei substanțe, atunci pentru a prezice o substanță cu proprietățile dorite, este necesar să se prezică compoziția și structura. Sarcina de a prezice structura cristalină poate fi formulată după cum urmează: să presupunem că am specificat compoziția chimică, să presupunem că este fixă, de exemplu, carbon. Care va fi cea mai stabilă formă de carbon în anumite condiții? În condiții normale, știm răspunsul - va fi grafit; la presiuni mari, știm și răspunsul - este un diamant. Dar crearea unui algoritm care vă poate oferi acest lucru se dovedește a fi o sarcină foarte dificilă. Sau puteți formula sarcina într-un mod diferit. De exemplu, pentru același carbon: care va fi cea mai dură structură corespunzătoare acestei compoziții chimice? Se dovedește un diamant. Și acum să punem o altă întrebare: care va fi cel mai dens? Se pare că este și un diamant, dar nu. Se dovedește că o formă de carbon mai densă decât diamantul poate fi inventată, cel puțin pe computer, și în principiu poate fi sintetizată. Mai mult, există multe astfel de forme ipotetice.

- Chiar și așa?

- Chiar și așa. Dar nu iese nimic mai greu decât diamantul. Oamenii au învățat să obțină răspunsuri la astfel de întrebări destul de recent. Mai recent, au apărut algoritmi, au apărut programe care pot face asta. În acest caz, de fapt, toată această zonă de cercetare s-a dovedit a fi legată de munca noastră în 2006. După aceea, mulți alți cercetători au început să abordeze această problemă. În general, încă nu ne lipsește palma și venim cu tot mai multe metode noi, materiale noi și noi.

- "Cine suntem noi?

- Sunt eu și studenții mei, studenții absolvenți și cercetătorii.

- Ca să fie clar, pentru că „noi” este atât de polisemantic, în acest caz polisemantic, poate fi perceput în moduri diferite. Și ce este așa de revoluționar?

- Faptul este că oamenii și-au dat seama că această sarcină este asociată cu o problemă combinatorie infinit complexă, adică numărul de opțiuni dintre care trebuie să alegi cel mai bun este infinit. Cum poate fi rezolvată această problemă? În nici un caz. Pur și simplu nu te poți apropia de ea și te simți confortabil. Dar am găsit o modalitate prin care această problemă poate fi rezolvată destul de eficient - o modalitate bazată pe evoluție. Aceasta, s-ar putea spune, este metoda aproximărilor succesive, când de la soluții inițial slabe prin metoda îmbunătățirii succesive se ajunge la soluții din ce în ce mai perfecte. Putem spune că aceasta este o metodă de inteligență artificială. Inteligența artificială, care face o serie de presupuneri, respinge unele dintre ele și construiește altele și mai interesante din cele mai plauzibile, cele mai interesante structuri și compoziții. Adică învață din propria sa istorie, motiv pentru care poate fi numită inteligență artificială.

- Aș dori să înțeleg cum inventați, inventați noi materiale folosind un exemplu specific.

- Să încercăm să o descriem folosind exemplul aceluiași carbon. Vrei să prezici care formă de carbon este cea mai grea. Sunt specificate un număr mic de structuri aleatorii de carbon. Unele structuri vor consta din molecule discrete, cum ar fi fulerenele; unele structuri vor consta din straturi, cum ar fi grafitul; unele vor consta din lanțuri de carbon, așa-numitele carabine; unele vor fi conectate tridimensional, precum diamantul (dar nu numai diamantul, există o infinitate de astfel de structuri). Mai întâi generați aceste tipuri de structuri aleatoriu, apoi faceți optimizare locală, sau ceea ce numim „relaxare”. Adică mutați atomii până când forța rezultată asupra atomului este zero, până când toate tensiunile din structură dispar, până când acesta intră în forma ideală sau capătă cea mai bună formă locală. Și pentru această structură, calculezi proprietăți precum duritatea. Ne uităm la duritatea fulerenelor. Există legături puternice, dar numai în interiorul moleculei. Moleculele în sine sunt foarte slab legate între ele, din cauza căreia duritatea este practic zero. Uită-te la grafit - aceeași poveste: legături puternice în interiorul unui strat, slabe între straturi și, ca urmare, substanța se dezintegrează foarte ușor, duritatea sa va fi foarte scăzută. Substante precum fulerenele sau carabinele sau grafitul se vor dovedi a fi foarte moi si le aruncam imediat. Structurile de carbon rămase sunt conectate tridimensional, au legături puternice în toate cele trei dimensiuni, din aceste structuri le alegem pe cele mai solide și le dăm posibilitatea de a produce structuri fiice. Cu ce seamănă? Luăm o structură, luăm o altă structură, le decupăm piesele, le punem împreună, ca într-un constructor și din nou ne relaxăm, adică lăsăm toate stresurile să dispară. Există mutații - acesta este un alt mod de a produce descendenți din părinți. Luăm una dintre cele mai dure structuri și o mutăm, de exemplu, aplicăm o tensiune de forfecare uriașă, astfel încât unele legături de acolo pur și simplu se sparg, în timp ce altele, altele noi, se formează. Sau deplasăm atomii în direcțiile cele mai slabe ale structurii pentru a elimina această slăbiciune din sistem. Relaxăm toate structurile produse în acest fel, adică eliminăm tensiunile interne, apoi reevaluăm proprietățile. Se întâmplă că am luat o structură solidă, am mutat-o și a devenit moale, transformată, să zicem, în grafit. Îndepărtăm imediat o astfel de structură. Iar din cele solide, producem din nou „copii”. Și așa o repetăm pas cu pas, generație după generație. Și destul de repede ajungem la diamant.

- În același timp, momentele în care respingem, comparăm, combinăm și schimbăm structura, are inteligența artificială, programul? Nu un om?

- Acest lucru este realizat de program. Dacă am face asta, am ajunge în Kashchenko, deoarece acesta este un număr mare de operații pe care o persoană nu trebuie să le facă și din motive complet științifice. Înțelegi, o persoană se naște, absoarbe experiența din lumea din jurul său, iar odată cu această experiență vine un fel de prejudecată. Vedem o structură simetrică - spunem: „Acesta este bine”; vedem asimetric - spunem: „Asta e rău”. Dar pentru natură, uneori se întâmplă invers. Metoda noastră trebuie să fie lipsită de subiectivitatea umană și de prejudecăți.

- Înțeleg corect din ceea ce ați descris că, în principiu, această sarcină este formulată nu atât de știința fundamentală, cât de rezolvarea unor sarcini foarte specifice stabilite de vreo companie transnațională obișnuită? Deci avem nevoie de un ciment nou, astfel încât să fie mai vâscos, mai dens sau, dimpotrivă, mai lichid și așa mai departe.

- Deloc. De fapt, am venit din știința fundamentală prin educația mea, am studiat știința fundamentală, nu știința aplicată. Acum sunt interesat de rezolvarea problemelor aplicate, mai ales că metodologia pe care am inventat-o este aplicabilă celor mai importante probleme aplicate dintr-o gamă foarte largă. Dar inițial această metodă a fost inventată pentru a rezolva probleme fundamentale.

- Ce fel de?

- Studiez de multă vreme fizica și chimia presiunilor înalte. Acesta este un domeniu în care s-au făcut experimental multe descoperiri interesante. Dar experimentele sunt dificile și de foarte multe ori rezultatele experimentale s-au dovedit a fi greșite în timp. Experimentele sunt costisitoare și consumatoare de timp.

- Dă un exemplu.

- De exemplu, de multă vreme a existat o cursă între oamenii de știință sovietici și americani: cine va obține primul hidrogen metalic sub presiune. Apoi s-a dovedit, de exemplu, că multe elemente simple sub presiune devin (aceasta este o astfel de transformare alchimică) un metal de tranziție. De exemplu, luați potasiu: potasiul are un singur electron s pe învelișul său de valență, iar sub presiune devine un element d; Orbitalul s este golit, iar orbitalul d neocupat este populat de acest singur electron. Și acest lucru este foarte important, deoarece potasiul, devenind un metal de tranziție, are apoi posibilitatea de a intra, de exemplu, fierul lichid. De ce este important? Pentru că acum credem că potasiul în cantități mici este inclus în miezul Pământului și este o sursă de căldură acolo. Cert este că unul dintre izotopii potasiului (potasiu radioactiv-40) este unul dintre principalii producători de căldură de pe Pământ astăzi. Dacă potasiul nu este inclus în miezul Pământului, atunci trebuie să ne schimbăm complet înțelegerea despre vârsta vieții pe Pământ, vârsta câmpului magnetic, istoria nucleului Pământului și multe alte lucruri interesante. Iată o transformare alchimică - elementele-s devin elemente-d. La presiuni mari, atunci când comprimați o substanță, energia pe care o cheltuiți pentru compresie va depăși mai devreme sau mai târziu energia unei legături chimice și energia tranzițiilor interorbitale în atomi. Și datorită acestui lucru, puteți schimba radical structura electronică a atomului și tipul de legătură chimică din substanța dumneavoastră. Pot apărea tipuri complet noi de substanțe. Și intuiția chimică standard în astfel de cazuri nu funcționează, adică regulile pe care le învățăm de la școală la lecțiile de chimie, zboară în iad când presiunea atinge valori suficient de mari. Vă pot spune ce fel de lucruri au fost prezise cu metoda noastră și apoi dovedite experimental. Când a apărut această metodă, a fost un șoc pentru toată lumea. Una dintre cele mai interesante lucrări a implicat elementul sodiu. Am prezis că dacă sodiul este comprimat la o presiune de aproximativ 2 milioane de atmosfere (apropo, presiunea în centrul Pământului este de aproape 4 milioane de atmosfere, iar astfel de presiuni pot fi obținute experimental), nu va mai fi un metal. , dar un dielectric, în plus, culori transparente și roșii. Când am făcut această predicție, nimeni nu ne-a crezut. Jurnalul Nature, căruia i-am trimis aceste rezultate, chiar a refuzat să ia în considerare acest articol, ei au spus că este imposibil de crezut. Am contactat experimentatorii din grupul lui Mihail Eremts, care mi-au spus și că este imposibil să cred, dar din respect vor încerca totuși să facă un astfel de experiment. Și acest experiment a confirmat pe deplin predicțiile noastre. A fost prezisă structura noii faze a elementului bor - cea mai dură structură pentru acest element, una dintre cele mai dure substanțe cunoscute de omenire. Și acolo s-a dovedit că diferiți atomi de bor au sarcini electrice diferite, adică devin brusc diferiți: unii pozitiv, alții negativ. Acest articol a fost citat de aproape 200 de ori în doar trei ani.

- Ai spus că aceasta este o sarcină fundamentală. Sau rezolvați în primul rând probleme fundamentale și doar recent - unele probleme practice? Povestea sodiului. Pentru ce? Adică ai stat, te-ai așezat și te-ai gândit, ce să iau - o să iau sodiu, poate și să-l storc în 2 milioane de atmosfere?

- Nu sigur în felul ăsta. Am primit un grant pentru a studia comportamentul elementelor la presiune ridicată pentru a înțelege mai bine chimia elementelor. Datele experimentale sub presiune ridicată sunt încă foarte fragmentare și am decis să parcurgem mai mult sau mai puțin întregul Tabel periodic pentru a înțelege cum se schimbă elementele și chimia lor sub presiune. Am publicat o serie de articole, în special, despre natura supraconductivității în oxigenul sub presiune, deoarece oxigenul sub presiune devine supraconductor. Pentru o serie de alte elemente: elemente alcaline sau elemente alcalino-pământoase și așa mai departe. Dar cel mai interesant, probabil, a fost descoperirea de noi fenomene în sodiu și bor. Acestea au fost poate cele două elemente care ne-au surprins cel mai mult. Așa am început. Și acum am trecut la rezolvarea problemelor practice, cooperăm cu companii precum Intel, Samsung, Fujitsu, Toyota, Sony. Toyota, din câte știu, a inventat recent un nou material pentru bateriile cu litiu folosind metoda noastră și va aduce acest material pe piață.

- Au luat metoda ta, au luat tehnologia de a găsi materiale, dar tu nu?

- Oh, sigur. Nu ne impunem asupra sarcinii, ci încercăm să ajutăm toți cercetătorii. Programul nostru este disponibil tuturor celor care doresc să-l folosească. Companiile trebuie să plătească ceva pentru dreptul de a utiliza programul. Iar oamenii de știință care lucrează în știința academică îl obțin gratuit prin simpla descărcare de pe site-ul nostru web. Programul nostru are deja aproape 2 mii de utilizatori din întreaga lume. Și sunt foarte fericit când văd că utilizatorii noștri realizează ceva bun. Eu, grupul meu, am mai mult decât suficiente din descoperirile mele, lucrările mele, intuițiile mele. Când vedem același lucru în alte grupuri, ne face doar fericiți.

Materialul a fost pregătit pe baza emisiunii radio „PostNauka” de la postul de știri din Rusia.

Artem Oganov, unul dintre cei mai citați mineralogi teoreticieni din lume, ne-a vorbit despre predicția computerizată, care a devenit recent realizabilă. Anterior, această problemă nu putea fi rezolvată deoarece problema proiectării pe computer a noilor materiale include problema structurilor cristaline, care era considerată de nerezolvat. Dar datorită eforturilor lui Oganov și a colegilor săi, ei au reușit să se apropie de acest vis și să-l transforme în realitate.

De ce este importantă această sarcină: Anterior, au fost dezvoltate substanțe noi pentru o perioadă foarte lungă de timp și cu mult efort.

Artem Oganov: „Experimentatorii merg la laborator. Diferite substanțe sunt amestecate la diferite temperaturi și presiuni. Obțineți substanțe noi. Măsurați-le proprietățile. De regulă, aceste substanțe nu prezintă interes și sunt aruncate. Iar experimentatorii încearcă din nou să obțină o substanță ușor diferită în condiții diferite, cu o compoziție ușor diferită. Și astfel, pas cu pas, depășim multe eșecuri, petrecându-ne ani de viață pe asta. Se dovedește că cercetătorii, în speranța de a obține un material, cheltuiesc o cantitate imensă de efort, timp și, de asemenea, bani. Acest proces poate dura ani. Se poate dovedi a fi o fundătură și nu duce niciodată la descoperirea materialului potrivit. Dar chiar și atunci când duce la succes, acest succes are un cost foarte mare.”

Prin urmare, este necesar să se creeze o astfel de tehnologie care să poată face predicții fără erori. Adică să nu experimenteze în laboratoare, ci să instruiască computerul să prezică ce material, cu ce compoziție și temperatură, va avea proprietățile dorite în anumite condiții. Iar computerul, trecând prin numeroase opțiuni, va putea da răspunsul, ce compoziție chimică și ce structură cristalină va îndeplini cerințele date. Rezultatul poate fi astfel încât materialul dorit să nu existe. Sau nu este singur.
Și aici apare o a doua problemă, a cărei soluție nu este încă disponibilă: cum să obțineți acest material? Adică, compoziția chimică, structura cristalului sunt clare, dar încă nu există nicio modalitate de a le implementa, de exemplu, la scară industrială.

Tehnologia de predicție

Principalul lucru de prezis este structura cristalului. Anterior, nu a fost posibil să se rezolve această problemă, deoarece există multe opțiuni pentru aranjarea atomilor în spațiu. Dar majoritatea covârșitoare a acestora nu prezintă niciun interes. Important sunt acele variante de aranjare a atomilor în spațiu, care sunt suficient de stabile și au proprietățile necesare cercetătorului.
Care sunt aceste proprietăți: duritate mare sau scăzută, conductivitate electrică și conductivitate termică și așa mai departe. Structura cristalină este importantă.

„Dacă te gândești la, să zicem, carbon, să ne uităm la diamant și grafit. Din punct de vedere chimic, sunt una și aceeași substanță. Dar proprietățile sunt complet diferite. Carbon negru super moale și diamant super dur transparent - ce face diferența dintre ele? Este structura cristalină. Datorită ei, o substanță este super tare, cealaltă este super moale. Unul este practic un conductor metalic. Celălalt este dielectric.”

Pentru a învăța cum să prezice un material nou, trebuie în primul rând să înveți să prezice structura cristalină. Pentru aceasta, Oganov și colegii săi au propus o abordare evolutivă în 2006.

„În această abordare, nu încercăm să eșantionăm toată varietatea infinită de structuri cristaline. O vom încerca pas cu pas, începând cu un mic eșantion aleator, în cadrul căruia ierarhăm soluțiile posibile, dintre care cele mai proaste o aruncăm. Și din cele mai bune producem variante fiice. Variantele fiice sunt produse prin diferite mutații sau prin recombinare - prin ereditate, unde din doi părinți combinăm diferite caracteristici structurale ale compoziției. Acest lucru dă naștere unei structuri copil - un material copil, o compoziție chimică copil, o structură copil. Aceste filiale sunt apoi evaluate și ele. De exemplu, prin rezistență sau prin proprietatea chimică sau fizică care vă interesează. Și pe cei care au fost clasificați ca nerentabil, le aruncăm. Cei care promit au dreptul de a produce urmași. Producem următoarea generație prin mutație sau ereditate.”

Deci, pas cu pas, oamenii de știință abordează materialul care este optim pentru ei în ceea ce privește o proprietate fizică dată. Abordarea evoluționistă în acest caz funcționează în același mod ca și teoria darwiniană a evoluției; acest principiu este implementat de Oganov și colegii săi pe un computer atunci când caută structuri cristaline care sunt optime din punctul de vedere al unei proprietăți sau stabilității date.

„Pot să spun și (dar asta este deja puțin în pragul huliganismului) că atunci când lucram la această metodă (apropo, dezvoltarea continuă. S-a îmbunătățit din ce în ce mai mult), am experimentat diferite moduri de evoluție. . De exemplu, am încercat să facem un copil nu din doi părinți, ci din trei sau patru. S-a dovedit că, la fel ca în viață, este optim să produci un copil din doi părinți. Un copil are doi părinți - tata și mama. Nici trei, nici patru, nici douăzeci și patru. Acesta este optim atât în natură, cât și pe computer.”

Oganov și-a patentat metoda, iar acum este folosită de aproape mii de cercetători din întreaga lume și de câteva companii importante precum Intel, Toyota și Fujitsu. Toyota, de exemplu, potrivit lui Oganov, folosește această metodă de ceva timp pentru a inventa un nou material pentru bateriile cu litiu care va fi folosit în mașinile hibride.

Problema cu diamantul

Se crede că diamantul, fiind deținătorul recordului de duritate, este materialul superhard optim pentru toate aplicațiile. Cu toate acestea, nu este cazul, deoarece în fier, de exemplu, se dizolvă, iar într-un mediu cu oxigen la temperaturi ridicate arde. În general, căutarea unui material care ar fi mai greu decât diamantul a îngrijorat omenirea de multe decenii.

„Un calcul simplu pe calculator, care a fost efectuat de grupul meu, arată că un astfel de material nu poate exista. De fapt, numai diamantul poate fi mai dur decât diamantul, dar în formă nano-cristalină. Alte materiale nu sunt capabile să învingă un diamant în duritate.”

O altă direcție a grupului lui Oganov este predicția noilor materiale dielectrice care ar putea servi drept bază pentru super-condensatori pentru stocarea energiei electrice, precum și pentru miniaturizarea ulterioară a microprocesoarelor de computer.
„Această miniaturizare întâlnește de fapt obstacole. Deoarece materialele dielectrice existente nu suportă destul de bine sarcinile electrice. Se scurg. Și miniaturizarea în continuare este imposibilă. Dacă putem obține un material care este ținut pe siliciu, dar în același timp are o constantă dielectrică mult mai mare decât materialele pe care le avem, atunci putem rezolva această problemă. Și avem progrese destul de serioase și în această direcție”.

Și ultimul lucru pe care îl face Oganov este dezvoltarea de noi medicamente, adică și predicția lor. Acest lucru este posibil datorită faptului că oamenii de știință au învățat să prezică structura și compoziția chimică a suprafeței cristalelor.

„Faptul este că suprafața unui cristal are adesea o compoziție chimică care diferă de substanța cristalului în sine. Structura este, de asemenea, foarte adesea radical diferită. Și am descoperit că suprafețele unor cristale de oxid simple, aparent inerte (cum ar fi oxidul de magneziu) conțin ioni foarte interesanți (cum ar fi peroxidul de ioni). Ele conțin și grupări similare cu ozonul, formate din trei atomi de oxigen. Aceasta explică o observație extrem de interesantă și importantă. Când o persoană inhalează particule fine de minerale oxidice care sunt aparent inerte, sigure și inofensive, aceste particule joacă o glumă crudă și contribuie la dezvoltarea cancerului pulmonar. În special, azbestul este cunoscut a fi cancerigen, care este extrem de inert. Deci, pe suprafața unor astfel de minerale precum azbest și cuarț (în special cuarț), se pot forma ioni de peroxid, care joacă un rol cheie în formarea și dezvoltarea cancerului. Tehnica noastră poate, de asemenea, prezice condițiile în care formarea acestui tip de particule ar putea fi evitată. Adică, există chiar speranță de a găsi terapie și prevenire a cancerului pulmonar. În acest caz, vorbim doar despre cancerul pulmonar. Și dintr-o latură complet neașteptată, rezultatele cercetării noastre au făcut posibilă înțelegerea, și poate chiar prevenirea sau vindecarea cancerului pulmonar.”

Pentru a rezuma, predicția structurilor cristaline poate juca un rol cheie în proiectarea materialelor atât pentru microelectronică, cât și pentru produse farmaceutice. În general, această tehnologie deschide o nouă cale în tehnologia viitorului, este sigur Oganov.

Puteți citi despre alte zone ale laboratorului lui Artem urmând linkul și vă familiarizați cu cartea lui Metode moderne de predicție a structurii cristaline

Esența căutării celei mai stabile structuri se rezumă la calcularea stării materiei care are cea mai mică energie. Energia în acest caz depinde de interacțiunea electromagnetică a nucleelor și electronilor atomilor care alcătuiesc cristalul studiat. Poate fi estimat folosind calcule mecanice cuantice bazate pe ecuația simplificată Schrödinger. Deci algoritmul USPEX folosește teoria funcțională a densității, care s-a dezvoltat în a doua jumătate a secolului trecut. Scopul său principal este de a simplifica calculele structurii electronice a moleculelor și cristalelor. Teoria face posibilă înlocuirea funcției de undă cu mulți electroni cu o densitate de electroni, rămânând în același timp exacte din punct de vedere formal (dar, de fapt, aproximările se dovedesc a fi inevitabile). În practică, acest lucru duce la o scădere a complexității calculelor și, în consecință, a timpului care va fi alocat acestora. Astfel, calculele mecanice cuantice sunt combinate cu algoritmul evolutiv din USPEX (Fig. 2). Cum funcționează algoritmul evolutiv?

Căutarea structurilor cu cea mai mică energie poate fi enumerată: aranjați aleatoriu atomii unul față de celălalt și analizați fiecare astfel de stare. Dar, deoarece numărul de opțiuni este uriaș (chiar dacă există doar 10 atomi, posibilitățile de localizare a acestora unul față de celălalt vor fi de aproximativ 100 de miliarde), calculul ar dura prea mult. Prin urmare, oamenii de știință au reușit să obțină succes numai după ce au dezvoltat o metodă mai vicleană. Algoritmul USPEX se bazează pe o abordare evolutivă (Figura 2). În primul rând, un număr mic de structuri sunt generate aleatoriu și energia lor este calculată. Sistemul elimină variantele cu cea mai mare energie, adică pe cele mai puțin stabile, și generează altele similare din cele mai stabile și le calculează deja. Simultan, computerul continuă să genereze aleatoriu noi structuri pentru a menține diversitatea populației, ceea ce este o condiție esențială pentru o evoluție de succes.

Astfel, logica preluată din biologie a ajutat la rezolvarea problemei prezicerii structurilor cristaline. Este greu de spus că acest sistem conține o genă, deoarece structurile noi pot diferi de predecesorii lor în parametri foarte diferiți. Cei mai adaptați la condițiile de selecție „indivizii” lasă urmași, adică algoritmul, învățând din greșelile sale, maximizează șansele de succes în următoarea încercare. Sistemul găsește rapid opțiunea cu cea mai scăzută energie și calculează eficient situația în care unitatea structurală (celula) conține zeci și chiar primele sute de atomi, în timp ce algoritmii anteriori nu puteau face față cu zece.

Una dintre noile provocări cu care se confruntă USPEX la Institutul de Fizică și Tehnologie din Moscova este de a prezice structura terțiară a proteinelor din secvența lor de aminoacizi. Această problemă a biologiei moleculare moderne este una dintre cele cheie. În general, sarcina în fața oamenilor de știință este foarte dificilă și pentru că este dificil să se calculeze energia pentru o moleculă atât de complexă precum proteina. Potrivit lui Artem Oganov, algoritmul său reușește deja să prezică structura peptidelor cu o lungime de aproximativ 40 de aminoacizi.

Video 2. Polimeri și biopolimeri. Ce substanțe sunt polimerii? Care este structura polimerului? Cât de comună este utilizarea materialelor polimerice? Profesorul, doctor în cristalografie Artem Oganov vorbește despre asta.

Explicația USPEX

Într-unul dintre articolele sale de știință populară, Artem Oganov (Fig. 3) descrie USPEX după cum urmează:

„Iată un exemplu viu pentru a demonstra ideea generală. Imaginați-vă că trebuie să găsiți cel mai înalt munte de pe suprafața unei planete necunoscute, pe care domnește întunericul complet. Pentru a economisi resurse, este important să înțelegem că nu avem nevoie de o hartă de relief completă, ci doar de punctul cel mai înalt al acesteia.

Figura 3. Artem Romaevici Oganov

Atingeți un mic asalt de bioroboți pe planetă, trimițându-i unul câte unul în locuri arbitrare. Instrucțiunea pe care trebuie să o urmeze fiecare robot este să meargă de-a lungul suprafeței împotriva forțelor de atracție gravitațională și, în cele din urmă, să ajungă în vârful celui mai apropiat deal, ale cărui coordonate trebuie să raporteze la baza orbitală. Nu avem fonduri pentru un contingent mare de cercetare, iar probabilitatea ca unul dintre roboți să urce imediat pe cel mai înalt munte este extrem de mică. Aceasta înseamnă că este necesar să se aplice principiul binecunoscut al științei militare ruse: „luptă nu după număr, ci prin pricepere”, care este implementat aici sub forma unei abordări evolutive. Purtând cel mai apropiat vecin, roboții se întâlnesc și reproduc propriul lor fel, plasându-i de-a lungul liniei dintre vârfurile „lor”. Progenitul de bioroboți procedează să îndeplinească aceleași instrucțiuni: se deplasează în direcția cotei reliefului, explorând zona dintre cele două vârfuri ale „părinților”. Acei „indivizi” care au găsit vârfuri sub nivelul mediu sunt rechemați (așa se face selecția) și re-scăzuți aleatoriu (astfel se modelează menținerea „diversității genetice” a populației).

Cum se estimează eroarea cu care funcționează USPEX? Puteți lua o problemă cu un răspuns corect cunoscut și o puteți rezolva independent de 100 de ori folosind un algoritm. Dacă răspunsul corect este obținut în 99 de cazuri, atunci probabilitatea unei erori de calcul va fi de 1%. De obicei, predicțiile corecte sunt obținute cu o probabilitate de 98-99% atunci când numărul de atomi dintr-o celulă unitate este de 40.

Algoritmul evolutiv USPEX a condus la multe descoperiri interesante și chiar la dezvoltarea unei noi forme de dozare a unui medicament, care va fi discutată mai jos. Mă întreb ce se va întâmpla când vor apărea supercomputere de nouă generație? Se va schimba fundamental algoritmul de predicție a structurii cristaline? De exemplu, unii oameni de știință dezvoltă computere cuantice. În viitor, acestea vor fi mult mai eficiente decât cele mai avansate moderne. Potrivit lui Artem Oganov, algoritmii evolutivi își vor păstra poziția de lider, dar vor începe să funcționeze mai repede.

Domenii de lucru de laborator: de la termoelectrice la medicamente

USPEX s-a dovedit a fi un algoritm nu numai eficient, ci și multifuncțional. În prezent, sub conducerea lui Artyom Oganov, se desfășoară multe lucrări științifice în diverse direcții. Unele dintre cele mai recente proiecte sunt încercări de a modela noi materiale termoelectrice și de a prezice structura proteinelor.

„Avem mai multe proiecte, unul dintre ele este studiul materialelor cu dimensiuni reduse, cum ar fi nanoparticulele, suprafețele materialelor, Un altul este studiul substanțelor chimice sub presiune ridicată. Există și un proiect interesant legat de predicția noilor materiale termoelectrice. Acum știm deja că adaptarea metodei de predicție a structurilor cristaline, pe care am inventat-o, la problemele termoelectricității funcționează eficient. În acest moment, suntem deja pregătiți pentru un mare salt înainte, al cărui rezultat ar trebui să fie descoperirea de noi materiale termoelectrice. Este deja clar că metoda pe care am creat-o pentru termoelectrice este foarte puternică, testele efectuate sunt reușite. Și suntem pe deplin pregătiți să căutăm noi materiale adecvate. De asemenea, suntem implicați în predicția și studiul de noi supraconductori de temperatură înaltă. Ne punem întrebarea de a prezice structura proteinelor. Aceasta este o sarcină nouă pentru noi și una foarte interesantă.”

Interesant, USPEX a beneficiat deja chiar și de medicamente: „În plus, dezvoltăm noi medicamente. În special, am prezis, obținut și brevetat un nou medicament,– spune A.R. Oganov. - Acesta este hidrat de 4-aminopiridină, un medicament pentru scleroza multiplă.”.

Vorbim despre un medicament recent brevetat de angajații laboratorului de proiectare asistată de computer a materialelor Valery Royzen (Fig. 4), Anastasia Naumova și Artem Oganov, care permite tratamentul simptomatic al sclerozei multiple. Brevetul este deschis, ceea ce va ajuta la reducerea prețului medicamentului. Scleroza multiplă este o boală autoimună cronică, adică una dintre acele patologii când propriul sistem imunitar al gazdei dăunează gazdei. În acest caz, teaca de mielină a fibrelor nervoase este deteriorată, care în mod normal îndeplinește o funcție de izolație electrică. Este foarte important pentru funcționarea normală a neuronilor: curentul prin excrescențe ale celulelor nervoase acoperite cu mielină se realizează de 5-10 ori mai repede decât prin cele descoperite. Prin urmare, scleroza multiplă duce la tulburări în funcționarea sistemului nervos.

Cauzele care stau la baza sclerozei multiple rămân neclare. Multe laboratoare din întreaga lume încearcă să le înțeleagă. În Rusia, acest lucru este realizat de laboratorul de biocataliză de la Institutul de Chimie Bioorganică.

Figura 4. Valery Royzen - unul dintre autorii brevetului pentru un medicament pentru scleroza multiplă, un angajat al laboratorului de proiectare computerizată a materialelor, dezvoltând noi forme de dozare de medicamente și promovând activ știința.

Videoclipul 3. Conferință de știință populară susținută de Valery Roysen „Cristale gustoase”. Veți afla despre principiile modului în care funcționează medicamentele, despre importanța formei de livrare a medicamentelor către corpul uman și despre fratele geamăn rău al aspirinei.

Anterior, 4-aminopiridina era deja folosită în clinică, dar oamenii de știință au reușit, prin modificarea compoziției chimice, să îmbunătățească absorbția acestui medicament în sânge. Ei au obținut hidrat de 4-aminopiridină cristalin (Fig. 5) cu o stoichiometrie de 1: 5. În această formă, medicamentul în sine și metoda de preparare a acestuia au fost brevetate. Substanța îmbunătățește eliberarea neurotransmițătorilor în sinapsele neuromusculare, ceea ce ușurează pacienții cu scleroză multiplă. Este de remarcat faptul că acest mecanism implică tratamentul simptomelor, dar nu boala în sine. În plus față de biodisponibilitate, punctul fundamental în noua dezvoltare este următorul: deoarece a fost posibil să „închideți” 4-aminopiridinei într-un cristal, a devenit mai convenabil pentru utilizare în medicină. Substanțele cristaline sunt relativ ușor de obținut într-o formă purificată și omogenă, iar libertatea medicamentului de impurități potențial dăunătoare este unul dintre criteriile cheie pentru un medicament bun.

Descoperirea de noi structuri chimice

După cum am menționat mai sus, USPEX vă permite să găsiți noi structuri chimice. Se pare că până și carbonul „obișnuit” are propriile sale mistere. Carbonul este un element chimic foarte interesant, deoarece formează o gamă largă de structuri, de la dielectrici superduri la semiconductori moi și chiar supraconductori. Primele includ diamantul și lonsdaleitul, al doilea - grafitul, iar al treilea - niște fulerene la temperaturi scăzute. În ciuda varietății mari de forme cunoscute de carbon, oamenii de știință sub conducerea lui Artem Oganov au reușit să descopere o structură fundamental nouă: nu se știa anterior că carbonul poate forma complexe oaspeți-gazdă (Fig. 6). La lucrare a participat, printre altele, personalul laboratorului de proiectare asistată de computer a materialelor (Fig. 7).

Figura 7. Oleg Feya, student postuniversitar la Institutul de Fizică și Tehnologie din Moscova, angajat al laboratorului de proiectare a materialelor asistată de computer și unul dintre autorii descoperirii unei noi structuri de carbon. În timpul liber, Oleg este angajat în popularizarea științei: articolele sale pot fi citite în publicațiile „Pisica lui Schrödinger”, „For Science”, STRF.ru, „Strana Rosatom”. În plus, Oleg este câștigătorul de la Moscova Science Slamși un participant la emisiunea TV „The Smartest”.

Interacțiunea „oaspete-gazdă” se manifestă, de exemplu, în complexe formate din molecule care sunt conectate între ele prin legături necovalente. Adică un anumit atom / moleculă ocupă un anumit loc în rețeaua cristalină, dar în același timp nu formează o legătură covalentă cu compușii din jur. Acest comportament este larg răspândit printre moleculele biologice care se leagă între ele, formând complexe puternice și mari care îndeplinesc diverse funcții în corpul nostru. În general, aceasta se referă la un compus format din două tipuri de elemente structurale. Pentru substanțele formate numai din carbon, astfel de forme nu erau cunoscute. Oamenii de știință și-au publicat descoperirea în 2014, extinzându-ne cunoștințele despre proprietățile și comportamentul celui de-al 14-lea grup de elemente chimice în ansamblu (Fig. 8). Este demn de remarcat faptul că, în formă deschisă de carbon, se formează legături covalente între atomi. Vorbim despre tipul de oaspete-gazdă din cauza prezenței a două tipuri clar definite de atomi de carbon, care au un mediu structural complet diferit.

Chimie nouă sub presiune mare

Un laborator de proiectare a materialelor asistată de computer studiază substanțele care sunt stabile la presiuni ridicate. Iată cum argumentează șeful laboratorului interesul pentru o astfel de cercetare: „Studiam materiale sub presiune ridicată, în special noua chimie care apare în aceste condiții. Aceasta este o chimie foarte neobișnuită, care nu se încadrează în regulile celei tradiționale. Cunoștințele dobândite despre noii compuși vor duce la înțelegerea a ceea ce se întâmplă în interiorul planetelor. Pentru că aceste substanțe chimice neobișnuite se pot dovedi a fi materiale foarte importante în interiorul planetei.” Este dificil de prezis cum se vor comporta substanțele aflate la presiune ridicată: majoritatea regulilor chimice nu mai funcționează, deoarece aceste condiții sunt foarte diferite de ceea ce suntem obișnuiți. Cu toate acestea, este necesar să înțelegem acest lucru dacă vrem să știm cum funcționează Universul. Partea leului din materia barionică a Universului se află sub presiune ridicată în interiorul planetelor, stelelor, sateliților. În mod surprinzător, se cunosc foarte puține lucruri despre chimia sa.

Noua chimie, care este implementată sub presiune înaltă în laboratorul de proiectare asistată de computer a materialelor de la MIPT, este studiată de dr. (grad similar celui de doctorat) Gabriele Saleh:

„Sunt chimist și sunt interesat de chimia la presiuni mari. De ce? Pentru că avem regulile chimiei care au fost formulate acum 100 de ani, dar recent s-a dovedit că nu mai funcționează la presiuni mari. Și asta este foarte interesant! Arată ca un parc de distracții: există un fenomen pe care nimeni nu-l poate explica; este foarte interesant să explorezi un nou fenomen și să încerci să înțelegi de ce se întâmplă. Am început conversația noastră cu lucruri fundamentale. Dar presiuni mari există și în lumea reală. Desigur, nu în această cameră, ci în interiorul Pământului și pe alte planete " .

Deoarece sunt chimist, sunt interesat de chimia de înaltă presiune. De ce? Pentru că avem reguli chimice care au fost stabilite acum o sută de ani, dar recent s-a descoperit că aceste reguli se încalcă la presiune ridicată. Și este foarte interesant! Este ca un loonopark pentru că ai un fenomen, pe care nimeni nu îl poate raționaliza. Este interesant să studiezi un nou fenomen și să încerci să înțelegi de ce se întâmplă. Am pornit din punct de vedere fundamental. Dar aceste presiuni mari există. Desigur, nu în această cameră, ci în interiorul Pământului și pe alte planete.

Figura 9. Acid carbonic (H 2 CO 3) - structură stabilă sub presiune. În insertul de mai sus se arată că de-a lungul axa C se formează structuri polimerice. Studierea sistemului carbon-oxigen-hidrogen la presiuni ridicate este foarte importantă pentru înțelegerea modului în care funcționează planetele. H 2 O (apă) și CH 4 (metan) sunt constituenții principali ai unor planete gigantice, precum Neptun și Uranus, unde presiunile pot atinge sute de GPa. Sateliții mari de gheață (Ganymede, Callisto, Titan) și cometele conțin și apă, metan și dioxid de carbon, care sunt supuse unor presiuni de până la câțiva GPa.

Gabriele ne-a povestit despre noua sa lucrare, care a fost recent acceptată spre publicare:

„Uneori faci științe de bază, dar apoi găsești o aplicare directă a cunoștințelor dobândite. De exemplu, am trimis recent spre publicare un articol care descrie rezultatele căutării pentru toți compușii stabili obținuți din carbon, hidrogen și oxigen la presiune ridicată. Am găsit unul care este stabil la presiuni foarte scăzute, cum ar fi 1 GPa , și s-a dovedit a fi acid carbonic H 2 CO 3(fig. 9). Am studiat literatura despre astrofizică și am descoperit că lunile Ganymede și Callisto [lunii lui Jupiter] sunt compuse din apă și dioxid de carbon: molecule care formează acid carbonic. Astfel, ne-am dat seama că descoperirea noastră sugerează formarea acidului carbonic acolo. Despre asta vorbeam: totul a început cu știința fundamentală și s-a încheiat cu ceva important pentru studiul sateliților și planetelor.” .

Rețineți că astfel de presiuni se dovedesc a fi scăzute în comparație cu cele care, în principiu, pot fi găsite în Univers, dar ridicate în comparație cu cele care acționează asupra noastră la suprafața Pământului.

Deci, uneori, studiezi ceva pentru știința fundamentală, dar apoi descoperi că are o aplicație corectă. De exemplu tocmai am depus o lucrare în care am luat carbon, hidrogen, oxigen la presiune mare și am încercat să căutăm toți compușii stabili. Am găsit unul care era acid carbonic și era stabil la o presiune foarte scăzută, ca un gigapascal. Am investigat literatura de astrofizică și am descoperit: există sateliți precum Ganimede sau Calisto. Pe ele există dioxid de carbon și apă. Moleculele care formează acest acid carbonic. Așa că ne-am dat seama că această descoperire înseamnă că probabil ar exista acid carbonic. Aceasta este ceea ce vreau să spun prin a început pentru fundamental și a descoperi ceva care este aplicabil științei planetare.

Un alt exemplu de chimie neobișnuită care poate fi citată se referă la binecunoscuta sare de masă, NaCl. Se dovedește că dacă poți crea o presiune de 350 GPa în agitatorul tău de sare, vei obține noi conexiuni. În 2013, sub conducerea A.R. Oganov a arătat că, dacă aplicați presiune ridicată la NaCl, atunci compușii neobișnuiți vor deveni stabili - de exemplu, NaCl 7 (Fig. 10) și Na 3Cl. Interesant este că multe dintre substanțele descoperite sunt metale. Gabriele Salekh și Artem Oganov și-au continuat munca de pionierat în care au arătat comportamentul exotic al clorurilor de sodiu la presiune ridicată și au dezvoltat un model teoretic care poate fi folosit pentru a prezice proprietățile compușilor metalelor alcaline cu halogeni.

Ei au descris regulile pe care aceste substanțe le respectă în condiții atât de neobișnuite. Folosind algoritmul USPEX, mai mulți compuși cu formula A3Y (A = Li, Na, K; Y = F, Cl, Br) au fost supuși teoretic la presiuni de până la 350 GPa. Aceasta a condus la descoperirea ionilor de clorură în stare oxidată –2. Chimia „standard” interzice acest lucru. În astfel de condiții, se pot forma noi substanțe, de exemplu, cu formula chimică Na4Cl3.

Figura 10. Structura cristalină a sării comune NaCl ( stânga) și compusul neobișnuit NaCl 7 ( pe dreapta), stabil sub presiune.

Chimia are nevoie de reguli noi

Gabriele Saleh (Fig. 11) a vorbit despre cercetările sale menite să descrie noi reguli ale chimiei care ar avea putere predictivă nu numai în condiții standard, dar ar descrie comportamentul și proprietățile substanțelor aflate la presiune ridicată (Fig. 12).

Figura 11. Gabriele Saleh

„Cu doi sau trei ani în urmă, profesorul Oganov a descoperit că o sare la fel de simplă precum NaCl la presiune ridicată nu este atât de simplă: sodiul și clorul pot forma alți compuși. Dar nimeni nu știa de ce. Oamenii de știință au efectuat calcule, au primit rezultate, dar a rămas necunoscut de ce totul se întâmplă așa și nu altfel. Încă de la absolvire, am studiat legăturile chimice, iar în cursul cercetărilor mele am reușit să formulez niște reguli care explică logic ce se întâmplă. Am studiat modul în care electronii se comportă în compoziția unor astfel de compuși și am ajuns la legile generale caracteristice acestora la presiune ridicată. Pentru a verifica dacă aceste reguli sunt o născocire a imaginației mele sau sunt încă corecte din punct de vedere obiectiv, am prezis structurile unor compuși similari - LiBr sau NaBr și mai mulți alții similari. Într-adevăr, regulile generale sunt respectate. Pe scurt, am văzut că există următoarea tendință: atunci când aplicați presiune asupra unor astfel de compuși, aceștia formează o structură metalică bidimensională, iar apoi una unidimensională. Apoi, sub presiune foarte mare, încep să se întâmple lucruri mai sălbatice, pentru că clorul ar avea atunci o stare de oxidare de -2. Toți chimiștii știu că clorul are o stare de oxidare de -1, acesta este un exemplu tipic dintr-un manual: sodiul pierde un electron, iar clorul îl ia. Prin urmare, numerele de oxidare sunt +1 și, respectiv, -1. Dar nu așa funcționează sub presiune ridicată. Am arătat acest lucru folosind unele abordări ale analizei legăturilor chimice. De asemenea, în cursul muncii mele, am căutat literatură specială pentru a înțelege dacă cineva a observat deja astfel de tipare. Și s-a dovedit că da, am făcut-o. Dacă nu mă înșel, bismutatul de sodiu și alți compuși respectă regulile descrise. Desigur, acesta este doar începutul. Când vor fi publicate următoarele lucrări pe această temă, vom afla dacă modelul nostru are o putere predictivă reală. Pentru că tocmai asta căutăm. Vrem să descriem legile chimice care ar fi respectate chiar și la presiuni mari" .

În urmă cu doi sau trei ani, profesorul Oganov a descoperit că sarea simplă NaCl la presiune ridicată nu este foarte simplă și se vor forma alți compuși. Dar nimeni nu știe de ce. Au făcut un calcul, au obținut rezultatele, dar nu poți spune de ce se întâmplă asta. Așa că, din moment ce în timpul doctoratului m-am specializat în studiul legăturilor chimice, am investigat acești compuși și am găsit o regulă pentru a raționaliza ceea ce se întâmplă. Am investigat cum se comportă electronii în acești compuși și am venit cu câteva reguli pe care acest tip de compuși le vor urma la presiune ridicată. Pentru a verifica dacă regulile mele erau doar imaginația mea sau sunt adevărate, am prezis noi structuri de compuși similari. De exemplu LiBr sau NaBr și unele combinații ca aceasta. Și da, aceste reguli se dovedesc a fi respectate. Pe scurt, ca să nu fiu foarte specialist, am văzut că există o tendință: atunci când le comprimi, ele ar forma metale bidimensionale, apoi structură unidimensională a metalului. Și apoi la presiune foarte mare s-ar întâmpla ceva mai sălbatic, deoarece Cl în acest caz va avea numărul de oxidare de -2. Toți chimiștii știu că cel mai mic număr de oxidare al Cl este -1, ceea ce este un exemplu tipic de manual: sodiul pierde electroni și clorul îl primește. Deci avem numere de oxidare +1 și -1. Dar la o presiune foarte mare nu mai este adevărat. Am demonstrat acest lucru cu câteva abordări pentru analiza legăturilor chimice. În lucrarea respectivă am încercat să mă uit la literatura pentru a vedea dacă cineva a mai văzut acest tip de reguli. Și da, s-a dovedit că au fost câteva. Dacă nu mă înșel, Na-Bi și alți compuși s-au dovedit a respecta aceste reguli. Este doar un punct de plecare, desigur. Vor apărea și celelalte lucrări și vom vedea dacă acest model are o putere predictivă reală. Pentru că asta căutăm. Vrem să schițăm chimia care va funcționa și pentru presiune înaltă.

Figura 12. Structura unei substanțe cu formula chimică Na 4 Cl 3, care se formează la o presiune de 125-170 GPa, ceea ce demonstrează clar apariția unei chimii „ciudate” sub presiune.

Dacă experimentezi, atunci selectiv

În ciuda faptului că algoritmul USPEX se distinge printr-o mare putere de predicție în cadrul sarcinilor sale, teoria necesită întotdeauna verificare experimentală. Laboratorul de proiectare asistată de computer a materialelor este teoretic, așa cum sugerează chiar și numele său. Prin urmare, experimentele sunt realizate în colaborare cu alte echipe de cercetare. Gabriele Saleh comentează strategia de cercetare adoptată în laborator astfel:

„Nu facem experimente - suntem teoreticieni. Dar de multe ori colaborăm cu oameni care o fac. De fapt, cred că în general este dificil. Astăzi știința este foarte specializată, așa că nu este ușor să găsești pe cineva care se ocupă de ambele.” .

Nu facem experimente, dar de multe ori colaborăm cu unii oameni care fac experimente. De fapt, cred că de fapt este greu. În zilele noastre știința este foarte specializată, așa că este greu să găsești pe cineva care să facă ambele.

Unul dintre cele mai clare exemple este predicția sodiului transparent. În 2009 în revistă Natură au fost publicate rezultatele muncii desfășurate sub conducerea lui Artem Oganov. În articol, oamenii de știință au descris o nouă formă de Na, în care este un nemetal transparent, devenind un dielectric sub presiune. De ce se întâmplă? Acest lucru se datorează comportării electronilor de valență: sub presiune, aceștia sunt forțați în golurile rețelei cristaline formate din atomii de sodiu (Fig. 13). În acest caz, proprietățile metalice ale substanței dispar și apar calitățile unui dielectric. O presiune de 2 milioane de atmosfere face sodiu roșu, iar 3 milioane de atmosfere îl face incolor.

Figura 13. Sodiu sub presiune peste 3 milioane de atmosfere. In albastru este prezentată structura cristalină a atomilor de sodiu, portocale- mănunchiuri de electroni de valență în golurile structurii.

Puțini credeau că metalul clasic ar putea prezenta acest comportament. Cu toate acestea, în colaborare cu fizicianul Mikhail Eremets, au fost obținute date experimentale care au confirmat pe deplin predicția (Fig. 14).

Figura 14. Fotografii ale probei de Na obținute cu o combinație de iluminare transmisă și reflectată. Pe eșantion s-au aplicat presiuni diferite: 199 GPa (fază transparentă), 156 GPa, 124 GPa și 120 GPa.

Trebuie să lucrăm cu o sclipire!

Artem Oganov ne-a spus ce cerințe le face angajaților săi:

„În primul rând, trebuie să aibă o educație bună. În al doilea rând, fii harnic. Dacă o persoană este leneșă, atunci nu o voi angaja, iar dacă o angajez dintr-o dată din greșeală, va fi dat afară. Câțiva angajați care s-au dovedit a fi leneși, inerți, amorfi, pur și simplu i-am concediat. Și cred că acest lucru este absolut corect și bun chiar și pentru persoana însuși. Pentru că dacă o persoană nu este în locul lui, nu va fi fericit. Are nevoie să meargă acolo unde va lucra cu foc, cu entuziasm, cu plăcere. Și acest lucru este bun pentru laborator și bun pentru oameni. Și băieții ăia care chiar muncesc frumos, cu sclipire, așa că plătim un salariu bun, merg la conferințe, scriu articole care apoi sunt publicate în cele mai bune reviste mondiale, vor fi bine. Pentru că sunt la locul lor și pentru că laboratorul are resurse bune pentru a le susține. Adică, băieții nu trebuie să se gândească la muncă suplimentară pentru a supraviețui. Ei se pot concentra pe știință, pe afacerea lor preferată și să o facă cu succes. Avem niște granturi noi acum, iar acest lucru ne deschide oportunitatea de a mai angaja câțiva oameni. Există o competiție tot timpul. Oamenii depun cereri pe tot parcursul anului, desigur, eu nu le iau pe toate.”... (2016). Hidrat cristalin de 4-aminopiridină, o metodă de producere a acestuia, o compoziție farmaceutică și o metodă de tratament și/sau profilaxie pe baza acestuia. Fiz. Chim. Chim. Fiz. 18 , 2840–2849;

Ma Y., Eremets M., Oganov A.R., Xie Y., Trojan I., Medvedev S. et al. (2009). Sodiu dens transparent. Natură. 458 , 182–185;

Lyakhov A.O., Oganov A.R., Stokes H.T., Zhu Q. (2013). Noi evoluții în algoritmul de predicție a structurii evolutive USPEX. Calculator. Fiz. comun. 184 , 1172–1182.