Artem Oganov. Dizajni kompjuterik i materialeve të reja: ëndërr apo realitet? Dizajn kompjuterik i materialeve të reja Zbulimi i materialeve të reja duke përdorur dizajnin kompjuterik

1. 1. Dizajn kompjuterik i materialeve të reja: ëndërr apo realitet? Artem Oganov (ARO) (1) Departamenti i Gjeoshkencave (2) Departamenti i Fizikës dhe Astronomisë (3) Qendra e Nju Jorkut për Shkenca Kompjuterike Universiteti Shtetëror i Nju Jorkut, Stony Brook, NY 11794-2100 (4) Universiteti Shtetëror i Moskës, Moskë, 119992, Rusi.
2. 2. Struktura e materies: atomet, molekulat Të lashtët menduan se materia përbëhet nga grimca: “kur Ai (Zoti) nuk krijoi tokën, as fushat, as grimcat fillestare të pluhurit të universit” (Fjalët e Urta, 8:26 ) (gjithashtu - Epicurus, Lucretius Car, Indianët e lashtë, ...) Në 1611, I. Kepler sugjeroi që struktura e akullit, forma e flokeve të borës, përcaktohet nga struktura e tyre atomike
3. 3. Struktura e materies: atomet, molekulat, kristalet 1669 - lindja e kristalografisë: Nikolai Stenon formulon ligjin e parë sasior të kristalografisë brenda vetes. Ajo i jep mendjes një kënaqësi të caktuar të kufizuar dhe detajet e saj janë aq të ndryshme sa mund të quhet e pashtershme; prandaj edhe njerëzit më të mirë i godet me kaq këmbëngulje dhe për një kohë kaq të gjatë. Kritika ndaj atomizmit e çoi atë në vetëvrasje në vitin 1906. Në vitin 1912, hipoteza e strukturës atomike të materies u vërtetua nga eksperimentet e Max von Laue.
4. 4. Struktura është baza për të kuptuar vetitë dhe sjelljen e materialeve (nga http://nobelprize.org) Zinc blende ZnS. Një nga strukturat e para të zgjidhura nga Braggs në 1913. Surpriza: NUK ka molekula ZnS në strukturë!
5. 5. Difraksioni me rreze X - metoda kryesore e përcaktimit eksperimental të strukturës kristalore Struktura Modeli i difraksionit
6. 6. Korrelacioni ndërmjet strukturës dhe modelit të difraksionit Cili do të jetë modeli i difraksionit të këtyre "strukturave"?
7. 7. Triumfet e eksperimentit - përcaktimi i strukturave kristalore tepër komplekse Fazat e papërshtatshme Kuazikristalet e elementeve Proteinat (Rb-IV, U.Schwarz'99) Një gjendje e re e materies, e zbuluar në vitin 1982. E gjetur në natyrë vetëm në vitin 2009! Çmimi Nobel 2011!
8. 8. Gjendjet e materies Gëzimi i lëngshëm kristalor kuazikristalor amorf ("Lëndë e butë" - polimere, kristale të lëngëta)
9. 9. Struktura atomike është karakteristika më e rëndësishme e materies. Duke e ditur atë, mund të parashikohen vetitë e materialit dhe struktura e tij elektronike 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 Konstante elastike 6O 60 per 749g M
10. 10. Disa tregime 4. Materialet e brendësisë së tokës 3. Materialet nga kompjuteri 2. A është e mundur të parashikohet kristalor1. Rreth lidhjes së strukturës, strukturës dhe vetive
11. 11. Pse akulli është më i lehtë se uji Struktura e akullit përmban kanale të mëdha boshe, të cilat nuk gjenden në ujin e lëngshëm. Për shkak të pranisë së këtyre kanaleve boshe, akulli është më i lehtë se akulli.
12. 12. Hidratet e gazit (clathrates) - akull i mbushur me molekula të ftuar (metan, dioksid karboni, klor, ksenon, etj.) Numri i publikimeve mbi clathrates Depozita të mëdha të hidratit të metanit - shpresa dhe shpëtimi i energjisë? Nën presion të ulët, metani dhe dioksidi i karbonit formojnë clathrates - 1 litër clathrate përmban 168 litra gaz! Hidrati i metanit duket si akulli, por digjet për të lëshuar ujë. A është hidrati CO2 një formë e ruajtjes së dioksidit të karbonit? Mekanizmi i anestezisë së ksenonit është formimi i Xe-hidratit, i cili bllokon transmetimin e sinjaleve neuronale në tru (Pauling, 1951)
13. 13. Materialet mikroporoze për industrinë kimike dhe pastrimin e mjedisit Zeolitet janë aluminosilikate mikroporoze Ndarja e oktanit dhe izooktanit nga zeoliti përdoret në industrinë kimike. industria Shembuj historikë të helmimit nga metalet e rënda: Qin Shi Huangdi Ivan IV i tmerrshëm "Sëmundja e Neronit (37-68) Plumbi (259 - 210 p.e.s.) (1530-1584) helmimi i çmendur: kapelëzues agresion, çmenduri
14. 14. Superpërcjellësit e rinj dhe të vjetër Fenomeni u zbulua në vitin 1911 nga Kamerling-Onnes Teoria e superpërcjellshmërisë - 1957 (Bardeen, Cooper, Schrieffer), por nuk ekziston një teori e superpërçuesve të temperaturës më të lartë (Bednorz, Muller, 1986)! Magnetët më të fuqishëm (MRI, spektrometrat e masës, përshpejtuesit e grimcave) Trenat me levitacion magnetik (430 km/h)
15. 15. Surpriza: format e papastërtive superpërçuese të karbonit 1,14 1 Tc  exp[ ] kB g (E F)V Grafit i dopuar: KC8 (Tc=0,125 K), CaC6 (Tc=11 K). Diamant B-doped: Tc=4 K. Fullerenet e dopuara: RbCs2C60 (Tc=33 K) Molekula e molekulës Struktura dhe pamja e kristaleve të fullerenit C60 fullerite Superpërcjellshmëria në kristalet organike është e njohur që nga viti 1979 (Bechgaard, ).
16. 16. Si mund të kursejnë ose shkatërrojnë materialet Në temperatura të ulëta, kallaji i nënshtrohet një tranzicioni fazor - "murtaja e kallajit". 1812 - sipas legjendës, ekspedita e Napoleonit në Rusi vdiq për shkak të butonave prej kallaji në uniformat e tij! 1912 - vdekja e ekspeditës së kapitenit R.F. Scott në Polin e Jugut, që i atribuohej "murtajës së kallajit". Tranzicioni i rendit të parë në 13 0C Kallaj e bardhë: 7,37 g/cm3 Kallaj gri: 5,77 g/cm3
17. 17. Formoni lidhjet e memories 1 2 3 4 1- para deformimit 3- pas ngrohjes (20°C) (50°C) 2- pas deformimit 4- pas ftohjes (20°C) (20°C) Shembull: NiTi ( nitinol ) Aplikimet: Shantet, mbajtëset dentare, elementët e tubacioneve të naftës dhe motorët e avionëve
18. 18. Mrekullitë e vetive optike Pleokroizmi (kordieriti) - zbulimi i lundrimit të Amerikës dhe Forcave Ajrore të SHBA-së Përthyerja e dyfishtë e dritës (kalcit) Efekti Aleksandrit (krizoberil) Kupa e Likurgut (xhami me nanogrimca)
19. 19. Rreth natyrës së ngjyrës Gjatësia e valës, Å Ngjyra Ngjyra plotësuese 4100 Vjollcë limoni e verdhë 4300 vjollcë e verdhë 4800 blu portokalli 5000 blu jeshile e kuqe 5300 jeshile e purpurt 5600 limoni e verdhë vjollcë 5800 e verdhë Lejla blu e kuqe 610
20. 20. Ngjyra varet nga drejtimi (pleokroizmi). Shembull: kordieriti (Mg,Fe)2Al4Si5O18.
21. 21. 2. Parashikimi i strukturave kristalore Oganov A.R., Lyakhov A.O., Valle M. (2011). Si funksionon parashikimi evolucionar i strukturës kristalore - dhe pse. acc. Kimik. Res. 44, 227-237.
22. 22. J. Maddox (Nature, 1988) Detyra është të gjesh minimumin GLOBAL të energjisë Kohore të Varianteve të Natoms. 1 1 1 sek. Është e pamundur të numërohen të gjitha strukturat: 10 1011 103 vjet. 20 1025 1017 vjet. 30 1039 1031 vjeç. Përmbledhje e metodës USPEX (ARO & Glass, J.Chem.Phys. 2006)
23. 23. Si të përdoret evolucioni i kangurit për të gjetur malin Everest? (foto nga R. Clegg) Ne zbarkojmë trupat e kangurit dhe i lëmë të shumohen (nuk tregohen për arsye censurimi).....
24. 24. Si të përdoret evolucioni i kangurit për të gjetur malin Everest? (foto nga R. Clegg) Aaaargh! Oh ....dhe herë pas here vijnë gjuetarët dhe largojnë kangurët në lartësi më të ulëta
25. 25.
26. 26. Llogaritjet evolucionare "mësojnë vetë" dhe fokusojnë kërkimin në rajonet më interesante të hapësirës
27. 27. Llogaritjet evolucionare "mësojnë vetë" dhe fokusojnë kërkimin në rajonet më interesante të hapësirës
28. 28. Llogaritjet evolucionare "mësojnë vetë" dhe fokusojnë kërkimin në rajonet më interesante të hapësirës
29. 29. Llogaritjet evolucionare "mësojnë vetë" dhe fokusojnë kërkimin në rajonet më interesante të hapësirës
30. 30. Metodat alternative: Kërkimi i rastësishëm (Freeman & Catlow, 1992; van Eijck & Kroon, 2000; Pickard & Needs, 2006) Nuk ka "të mësuar", funksionon vetëm për sisteme të thjeshta (deri në 10-12 atome). Pjekja artificiale (Pannetier 1990 ; Schön & Jansen 1996) Nuk ka metadinamikë "të mësuarit" (Martonak, Laio, Parrinello 2003) Kërkimi tabu në hapësirë ​​të reduktuar Minima hopping (Gödecker 2004) Përdor historinë e llogaritjes dhe "vetëmësimin". Bush (1995), Woodley (1999) algoritmet gjenetike dhe evolucionare janë një metodë joefikase për kristalet. Deaven & Ho (1995) është një metodë efikase për nanogrimcat.
31. 31. USPEX (Universal Structure Predictor: Evolutionary Xtallography) Popullata fillestare (Random) Një gjeneratë e re strukturash prodhohet vetëm nga strukturat më të mira aktuale (1) Trashëgimia (3) Koordinata (2) Mutacioni i rrjetës (4) Permutacioni
32. 32. Truket shtesë - parametri i rendit "Gjurmë gishtash" të strukturës Lindja e rendit nga kaosi në procesin evolucionar ["Zoti = Gjenerator i Diversitetit" © S. Avetisyan] Rendi lokal - tregon zonat me defekt
33. 33. Test: "Kush do ta merrte me mend se grafiti është alotropi i qëndrueshëm i karbonit në presionin e zakonshëm?" (Maddox, 1988) Struktura tredimensionale sp2 e propozuar nga R. Hoffmann (1983) si një fazë e qëndrueshme në hibridizimin e energjisë 1 atm ilustron sp2 hibridizimi kimia e karbonit sp hibridizimi (karabina)
34. Testi: Fazat e presionit të lartë riprodhohen gjithashtu saktë 100 GPa: stabile diamanti 2000 GPa: faza bc8 stabile + faza e gjetur metastabile që shpjegon Faza bc8 metastabile e silikonit "grafit super i fortë" është i njohur (Kasper, 1964) (Li, ARO, Ma, et al. ., PRL 2009)
35. 35. Zbulimet e bëra me USPEX:
36. 36. 3. Materialet nga kompjuteri
37. 37. Zbulimi i materialeve të reja: ende një provë dhe gabim eksperimental "Unë nuk dështova (dhjetë mijë), por zbulova vetëm 10,000 mënyra që nuk funksionuan" (T.A. Edison)
38. 38. Kërkoni për substancën më të dendur: a janë të mundshme modifikimet e karbonit më të dendur se diamanti? Po Struktura e diamantitDiamanti ka vëllimin më të vogël atomik dhe papërshtatshmërinë më të madhe të të gjithë strukturës, elementeve (dhe komponimeve) të reja. më i dendur se një diamant! (Zhu, ARO, et al., 2011)
39. 39. Analogjia e formave të karbonit dhe silicit (SiO2) bën të mundur kuptimin e dendësisë së formave të reja të karbonit Struktura të reja, 1,1-3,2% më të dendura se diamanti, indekse thyese shumë të larta (deri në 2,8!) dhe shpërndarje drite. struktura diamanti hP3 tP12 struktura tI12 struktura SiO2 kristobalit SiO2 kuarc SiO2 kitit me presion të lartë faza SiS2
40. 40.
41. 41. Oksidi më i fortë është TiO2? (Dubrovinsky et al., Nature 410, 653-654 (2001)) Nishio-Hamane (2010) dhe Al-Khatatbeh (2009): moduli i kompresimit ~ 300 GPa në vend të 431 GPa. Lyakhov & ARO (2011): Eksperimentet me presion janë shumë të vështira! Fortësia jo më e lartë se 16 GPa! TiO2 është më i butë se SiO2 i stishovitit (33 GPa), B6O (45 GPa), Al2O3 i zmerilit (21 GPa).
42. 42. A janë të mundshme format e karbonit më të forta se diamanti? Jo . Modeli i materialit Li Lyakhov Exp. Fortësia, Entalpia, etj. & Aro Struktura e GPU EV / ATOM (2009) (2011) Almaz 89.7 0.000 Diamond 91.2 89.7 90 Grafit 57.4 0.17 0.14 C2 / m 84.3 0.163 TIO2 Rutile 12.4 12.3 8-10 I4 / MMM 84.0 0.198 β-SI3N4 23.4 23.4 21 Cmcm 83.5 0.282SiO2 stishovite 31.8 30.8 33 P2/m 83.4 0.166 I212121 82.9 0.784 Fmmm 82.2 0.322 Cm64Brie Struktura 31.
43. 43. Kompresimi i ftohtë i grafitit jep karbon M, jo diamant! M-carbon u propozua në vitin 2006. Në 2010-2012. Janë propozuar dhjetëra struktura alternative (W-, R-, S-, Q-, X-, Y-, Z-karboni, etj.) M-karboni konfirmohet nga eksperimentet më të fundit M-karboni formohet më lehtë nga grafit grafit bct4-karbon grafit M - karbon grafit diamanti
44. 44. M-karboni - një formë e re e diamantit të karbonit lonsdaleite Diagrami fazor teorik i karbonit M-karbonfullerenet karabinat
45. 45. Substanca nën presion në natyrë P.W. Bridgman 1946 Laureat Nobel (Fizikë) 200x Shkalla: 100 GPa = 1 Mbar =
46. Neptuni ka një burim të brendshëm nxehtësie - por nga vjen CH4? Urani dhe Neptuni: H2O:CH4:NH3 = 59:33:8. Neptuni ka një burim të brendshëm energjie (Hubbard'99). Ross'81 (dhe Benedetti'99): CH4=C(diamant) + 2H2. A është diamanti që bie burimi kryesor i nxehtësisë në Neptun? Teoria (Ancilotto'97; Gao'2010) e konfirmon këtë. hidrokarburet e metanit diamant
47. 47. Bori ndodhet midis metaleve dhe jometaleve dhe strukturat e tij unike janë të ndjeshme ndaj papastërtive B, temperaturës dhe presionit alfa-B beta-B T-192
48. 48. Historia e zbulimit dhe kërkimit të borit është plot me kontradikta dhe kthesa detektive B 1808: J.L. Gay-Lussac dhe H. Davy njoftuan zbulimin e një elementi të ri - borit. J.L. Gay-Lussac H. Davy 1895: H. Moissan vërtetoi se substancat që zbuluan nuk përmbanin më shumë se 50-60% bor. Materiali Moissan, megjithatë, doli gjithashtu të ishte një përbërje me një përmbajtje bor prej më pak se 90%. H. Moissan 1858: F. Wöhler përshkroi 3 modifikime të borit - "diamanti-", "grafit-" dhe "si qymyri". Të tre dolën të ishin komponime (për shembull, AlB12 dhe B48C2Al). 2007: Janë publikuar ~ 16 modifikime kristalore (shumica janë komponime?). Nuk dihet se cila formë është më e qëndrueshme. F. Wöhler
49. 49. Nën presion, bori formon një strukturë pjesërisht jonike! B 2004: Chen dhe Solozhenko: sintetizuan një modifikim të ri të borit, por nuk mund të zgjidhnin strukturën e tij. 2006: Oganov: përcaktoi strukturën, provoi stabilitetin e saj. 2008: Solozhenko, Kurakevich, Oganov - kjo fazë është një nga substancat më të vështira të njohura (ngurtësia 50 GPa). Difraksioni i rrezeve X. Top - teori, Bottom - eksperiment Struktura e gama-boron: (B2)δ+(B12)δ-, δ=+0.5 (ARO et al., Nature 2009). elektrone të qëndrueshme.
50. 50. Diagrami i parë fazor i borit - pas 200 vitesh kërkime! Diagrami i fazës së borit (ARO et al., Nature 2009)
51. 51. Natriumi është një metal i përshkruar në mënyrë të përkryer nga modeli i elektroneve të lira
52. 52. Nën presion, natriumi ndryshon thelbin e tij - "transformimi alkimik" Na 1807: Natriumi i zbuluar nga Humphrey Davy. 2002: Hanfland, Syassen, et al. - treguesi i parë i kimisë jashtëzakonisht komplekse H. Presioni i natriumit Davy mbi 1 Mbar. Gregoryants (2008) për të dhëna më të detajuara. Nën presion, natriumi bëhet pjesërisht një d-metal!
53. 53. Ne kemi parashikuar një strukturë të re, e cila është një jometal transparent! Natriumi bëhet transparent në një presion prej ~ 2 Mbar (Ma, Eremets, ARO et al., Nature 2009) Elektronet lokalizohen në "hapësirën boshe" të strukturës, gjë që e bën natriumin e ngjeshur një jometal
54. Studimi i mineraleve nuk është vetëm një kënaqësi estetike, por edhe një drejtim shkencor praktik dhe thelbësisht i rëndësishëm. 41,5 C!
55. 64. Dhe cila është përbërja e bërthamës së brendshme të Tokës? Bërthama është disi më pak e dendur se hekuri i pastër. Në bërthamën e Fe në një aliazh me elementë të lehtë si S, Si, O, C, H. Përbërjet e reja (FeH4!) parashikohen në sistemet Fe-C dhe Fe-H. Karboni mund të përmbahet në bërthamë në sasi të mëdha [Bazhanova, Oganov, Dzhanola, UFN 2012]. Përqindja e karbonit në bërthamën e brendshme të nevojshme për të shpjeguar densitetin e saj
56. 65. Natyra e shtresës D” (2700-2890 km) mbeti mister për një kohë të gjatë D” – rrënja e rrjedhave të mantelit të nxehtë MgSiO3 pritet të jetë ~75 vol.% Çuditë e shtresës D”: ndërprerje sizmike, anizotropi Kujtoni anizotropinë e ngjyrës së kordieritit!
57. 66. Përgjigja qëndron në ekzistencën e një minerali të ri, MgSiO3 post-perovskite në shtresën D“ (2700-2890 km) Perovskite ndërsa Toka ftohet D“ mungon nga Mërkuri dhe Marsi Familja e re e mineraleve e parashikuar Konfirmimi – Tschauner (2008)
58. 67. Struktura e materies është çelësi për të kuptuar botën 4. Kuptimi i brendësisë së planetit po thellohet 3. Kompjuteri mëson të parashikojë materiale të reja 2. Tashmë është e mundur të parashikohen strukturat kristalore1. Struktura përcakton vetitë
59. 68. Mirënjohje: Studentët e mi, studentët e diplomuar dhe postdoktorët: A. Lyakhov Y. Ma S.E. Boulfelfel C.W. Glass Q. Zhu Y. Xie Kolegë nga laboratorë të tjerë: F. Zhang (Perth, Australi) C. Gatti (U. Milano, Itali) G. Gao (Universiteti Jilin, Kinë) A. Bergara (U. Vendi Bask, Spanjë) I. Errea (U. Vendi Bask, Spanjë) M. Martinez-Canales (UCL, MB) C. Hu (Guilin, Kinë) M. Salvado & P.Pertierra (Oviedo, Spanjë) VL Solozhenko (Paris) D.Yu. Pushcharovsky, V.V. Brazhkin (Moskë) Përdoruesit e programit USPEX (>1000 persona) - http://han.ess.sunysb.edu/~USPEX

Ne publikojmë tekstin e një leksioni të mbajtur nga një profesor në Universitetin Shtetëror të Nju Jorkut, një profesor i asociuar në Universitetin Shtetëror të Moskës, një profesor nderi në Universitetin GuilinArtem Oganov 8 Shtator 2012 si pjesë e serisë së Leksioneve Publike Polit.ru në Festivalin e Librit të Hapur Tregu i librave në parkun e arteve “Museon”.

"Ligjëratat publike "Polit.ru"" mbahen me mbështetjen e:

Teksti i leksionit

I jam shumë mirënjohës organizatorëve të këtij festivali dhe Polit.ru për ftesën. Është një nder i madh për mua të mbaj këtë leksion; Shpresoj se do të jetë me interes për ju.

Ligjërata lidhet drejtpërdrejt me të ardhmen tonë, sepse e ardhmja jonë është e pamundur pa teknologji të reja, teknologji që lidhen me cilësinë e jetës sonë, këtu është iPad, këtu është projektori ynë, të gjitha pajisjet tona elektronike, teknologjitë e kursimit të energjisë, teknologjitë që përdoren për të pastroni mjedisin, teknologjitë që përdoren në mjekësi e kështu me radhë - e gjithë kjo varet në një masë të madhe nga materialet e reja, teknologjitë e reja kërkojnë materiale të reja, materiale me veti unike, të veçanta. Dhe për mënyrën sesi këto materiale të reja mund të zhvillohen jo në laborator, por në një kompjuter, historia do të shkojë.

Leksioni quhet: “Dizajn kompjuterik i materialeve të reja: ëndërr apo realitet?”. Nëse do të ishte thjesht një ëndërr, atëherë ligjërata nuk do të kishte asnjë kuptim. Ëndrrat janë diçka, si rregull, jo nga sfera e realitetit. Nga ana tjetër, nëse kjo tashmë do të ishte realizuar plotësisht, leksioni gjithashtu nuk do të kishte kuptim, sepse një lloj i ri metodologjish, përfshirë ato teorike llogaritëse, kur ato tashmë janë zhvilluar plotësisht, kalojnë nga kategoria e shkencës në kategorinë. të detyrave rutinë industriale. Në fakt, kjo fushë është krejtësisht e re: dizajni kompjuterik i materialeve të reja është diku në mes midis një ëndrre - asaj që është e pamundur, asaj që ne ëndërrojmë në kohën e lirë - dhe realitetit, ajo nuk është ende një zonë e përfunduar plotësisht. është një zonë që po zhvillohet tani. Dhe kjo zonë do të lejojë që në të ardhmen e afërt të tërhiqet nga metoda tradicionale e zbulimit të materialeve të reja, laboratorike dhe të fillojë projektimi i materialeve me ndihmën e kompjuterit, do të ishte edhe më i lirë dhe më i shpejtë, dhe në shumë mënyra edhe më i besueshëm. Dhe ja se si ta bëni këtë, do t'ju them. Kjo lidhet drejtpërdrejt me problemin e parashikimit, parashikimin e strukturës së një lënde, sepse struktura e një lënde përcakton vetitë e saj. Struktura e ndryshme e së njëjtës substancë, le të themi, karboni, përcakton diamantin super të fortë dhe grafitin super të butë. Struktura në këtë rast është gjithçka. Struktura e materies.

Në përgjithësi, këtë vit po festojmë njëqindvjetorin e eksperimenteve të para që bënë të mundur zbulimin e strukturës së materies. Shumë kohë më parë, që nga kohërat e lashta, njerëzit parashtruan hipoteza se materia përbëhet nga atome. Një përmendje e kësaj mund të gjendet, për shembull, në Bibël, në epika të ndryshme indiane, dhe referenca mjaft të hollësishme për këtë mund të shihen te Democritus dhe Lucretius Kara. Dhe përmendja e parë se si është rregulluar materia, si përbëhet kjo substancë nga këto grimca diskrete, atome, i përket Johannes Kepler, matematikanit, astronomit dhe madje edhe astrologut të madh - në atë kohë astrologjia ende konsiderohej një shkencë, për fat të keq. Kepler vizatoi fotografitë e para në të cilat ai shpjegoi formën gjashtëkëndore të flokeve të dëborës dhe struktura e akullit e propozuar nga Kepler, megjithëse e ndryshme nga realiteti, është e ngjashme në shumë aspekte. Por, megjithatë, hipoteza e strukturës atomike të materies mbeti hipotezë deri në shekullin e 20-të, derisa njëqind vjet më parë për herë të parë kjo hipotezë u vërtetua shkencërisht. Ajo u vërtetua me ndihmën e shkencës sime, kristalografisë, një shkencë relativisht e re, e cila lindi në mesin e shekullit të 17-të, 1669 është data zyrtare e lindjes së shkencës së kristalografisë dhe u krijua nga shkencëtari i mrekullueshëm danez Nikolai Stenon. . Në fakt quhej Nils Stensen, ishte danez, emri i latinizuar është Nikolai Stenon. Ai themeloi jo vetëm kristalografinë, por një numër disiplinash shkencore dhe formuloi ligjin e parë të kristalografisë. Që nga ajo kohë, kristalografia filloi të zhvillohej përgjatë një trajektoreje përshpejtuese.

Nicholas Stenon kishte një biografi unike. Ai u bë jo vetëm themeluesi i disa shkencave, por u kanonizua edhe në Kishën Katolike. Poeti më i madh gjerman Goethe ishte gjithashtu një kristallograf. Dhe Gëte citon se kristalografia është joproduktive, ekziston brenda vetes, dhe në përgjithësi kjo shkencë është krejtësisht e padobishme, dhe nuk është e qartë pse duhet, por si një enigmë është shumë interesante, dhe për shkak të kësaj tërheq njerëz shumë të zgjuar. Kjo është ajo që tha Goethe në një leksion të shkencës popullore që ai mbajti diku në banjat e Badenit për zonjat e pasura boshe. Nga rruga, ekziston një mineral me emrin Goethe, goethite. Duhet thënë se në atë kohë kristalografia ishte me të vërtetë një shkencë mjaft e padobishme, me të vërtetë në nivelin e një lloj sharadash dhe enigmash matematikore. Por koha kaloi dhe 100 vjet më parë kristalografia la kategorinë e shkencave të tilla në vetvete dhe u bë një shkencë jashtëzakonisht e dobishme. Kësaj i ka paraprirë një tragjedi e madhe.

Përsëri, struktura atomike e materies mbeti një hipotezë deri në vitin 1912. Fizikani i madh austriak Ludwig Boltzmann ndërtoi të gjitha argumentet e tij shkencore mbi këtë hipotezë për atomicitetin e materies dhe u kritikua ashpër nga shumë kundërshtarë të tij: "si mund t'i ndërtoni të gjitha teoritë tuaja mbi një hipotezë të paprovuar?" Ludwig Boltzmann, i ndikuar nga kjo kritikë, si dhe nga shëndeti i dobët, kreu vetëvrasje në vitin 1906. Ai u vetëvar gjatë pushimeve me familjen në Itali. Vetëm 6 vjet më vonë, struktura atomike e materies u vërtetua. Pra, nëse do të kishte qenë pak më i duruar, do të kishte triumfuar mbi të gjithë kundërshtarët e tij. Durimi ndonjëherë do të thotë më shumë se inteligjenca, durimi do të thotë më shumë se edhe gjenialiteti. Pra - cilat ishin këto eksperimente? Këto eksperimente janë bërë nga Max von Laue, më saktë nga studentët e tij të diplomuar. Max von Laue nuk e bëri vetë asnjë nga këto eksperimente, por ideja ishte e tij. Ideja ishte që nëse materia me të vërtetë përbëhet nga atome, nëse me të vërtetë, siç supozoi Kepleri, atomet janë ndërtuar në një kristal në një mënyrë periodike dhe të rregullt, atëherë duhet të vërehet një fenomen interesant. Pak para kësaj, u zbuluan rrezet X. Fizikanët deri në atë kohë e kishin kuptuar tashmë mirë se nëse gjatësia e valës së rrezatimit është e krahasueshme me gjatësinë e periodicitetit - gjatësinë karakteristike të objektit, në këtë rast - kristalin, atëherë dukuria e difraksionit duhet të vëzhgohet. Kjo do të thotë, rrezet do të udhëtojnë jo vetëm në mënyrë rigoroze në një vijë të drejtë, por edhe do të devijojnë në kënde absolutisht të përcaktuara në mënyrë strikte. Kështu, një model shumë i veçantë i difraksionit të rrezeve X duhet të vëzhgohet nga kristali. Dihej se gjatësia e valës së rrezeve X duhet të jetë e ngjashme me madhësinë e atomeve, nëse atome ekzistojnë, janë bërë vlerësime të madhësisë së atomeve. Kështu, nëse hipoteza atomike e strukturës së materies është e saktë, atëherë duhet të vërehet difraksioni me rreze X të kristaleve. Çfarë mund të jetë më e lehtë se kontrollimi?

Një ide e thjeshtë, një eksperiment i thjeshtë, për të cilin në pak më shumë se një vit, Laue mori çmimin Nobel në Fizikë. Dhe ne mund ta provojmë këtë eksperiment. Por, për fat të keq, tani është shumë e lehtë për të gjithë për të vëzhguar këtë eksperiment. Por ndoshta mund ta provojmë me një dëshmitar? Kush mund të vinte këtu dhe të përpiqej ta vëzhgonte këtë eksperiment?

Shiko. Këtu është një tregues lazer, ne e ndriçojmë atë - dhe çfarë po ndodh këtu? Ne nuk kemi rreze x, kemi një lazer optik. Dhe kjo nuk është struktura e kristalit, por imazhi i tij, i fryrë me 10 mijë herë: por gjatësia e valës së lazerit është 10 mijë herë më e lartë se gjatësia e valës së rrezeve X, dhe kështu kushti i difraksionit plotësohet përsëri - gjatësia e valës është e krahasueshme me periudha e rrjetës kristalore. Le të shohim një objekt në të cilin nuk ka strukturë të rregullt, një lëng. Ja, Oleg, mbaje këtë foto, dhe unë do të shkëlqej me një lazer, afrohu, fotografia do të jetë e vogël, sepse ne nuk mund të projektojmë ... shiko, këtu shikon një unazë, brenda ka një pikë që karakterizon kalimin e drejtpërdrejtë. të traut. Por unaza është difraksion nga struktura e paorganizuar e lëngut. Nëse kemi një kristal përpara, atëherë fotografia do të jetë krejtësisht e ndryshme. E shihni, ne kemi shumë rreze që devijojnë në kënde të përcaktuara rreptësisht.

Oleg (vullnetar): Ndoshta sepse ka më shumë atome...

Artyom Oganov: Jo, për shkak të faktit se atomet janë rregulluar në një mënyrë të përcaktuar rreptësisht, ne mund të vëzhgojmë një model të tillë difraksioni. Kjo foto është shumë simetrike, dhe kjo është e rëndësishme. Le të duartrokasim Oleg për një eksperiment të kryer shkëlqyeshëm që do t'i sillte një çmim Nobel 100 vjet më parë.

Më pas, vitin e ardhshëm, babai dhe djali i Braggy-t mësuan të deshifrojnë modelet e difraksionit dhe të identifikojnë strukturat kristalore prej tyre. Strukturat e para ishin shumë të thjeshta, por tani, falë metodologjive më të fundit, për të cilat u dha çmimi Nobel në 1985, është e mundur të deshifrohen struktura tashmë shumë, shumë komplekse, bazuar në eksperiment. Këtu është eksperimenti që Oleg dhe unë riprodhuam. Këtu është struktura origjinale, këtu janë molekulat e benzenit, dhe Oleg vëzhgoi një pamje të tillë difraksioni. Tani, me ndihmën e eksperimentit, është e mundur të deshifrohen struktura shumë komplekse, në veçanti strukturat e kuazikristaleve, dhe vitin e kaluar u dha Çmimi Nobel në Kimi për zbulimin e kuazikristaleve, kësaj gjendje të re të materies së ngurtë. Sa dinamike është kjo zonë, çfarë zbulimesh themelore po bëhen gjatë jetës sonë! Struktura e proteinave dhe molekulave të tjera biologjikisht aktive deshifrohet gjithashtu nga difraksioni me rreze X, kjo teknikë e madhe kristalografike.

Pra, ne i njohim gjendjet e ndryshme të materies: kristalore e renditur dhe pothuajse kristalore, amorfe (gjendje e ngurtë e çrregulluar), si dhe gjendje të lëngët, të gaztë dhe gjendje të ndryshme polimerike të materies. Duke ditur strukturën e materies, ju mund të parashikoni shumë, shumë nga vetitë e saj dhe me një shkallë të lartë besueshmërie. Këtu është struktura e silikatit të magnezit, një lloj perovskite. Duke ditur pozicionet e përafërta të atomeve, mund të parashikoni, për shembull, një veti kaq të vështirë si konstantet elastike - kjo veti përshkruhet nga një tensor i renditjes 4 me shumë komponentë, dhe ju mund ta parashikoni këtë veti komplekse me saktësi eksperimentale, duke ditur vetëm pozicioni i atomeve. Dhe substanca është mjaft e rëndësishme, ajo përbën 40% të vëllimit të planetit tonë. Është materiali më i zakonshëm në tokë. Dhe për të kuptuar vetitë e kësaj substance, e cila ekziston në thellësi të mëdha, është e mundur, duke ditur vetëm rregullimin e atomeve.

Do të doja të flisja pak sesi lidhen vetitë me strukturën, si të parashikohet struktura e materies në mënyrë që të mund të parashikojmë materiale të reja dhe çfarë është bërë duke përdorur këto lloj metodash. Pse akulli është më i lehtë se uji? Të gjithë e dimë që ajsbergët notojnë dhe nuk fundosen, e dimë që akulli është gjithmonë në sipërfaqen e lumit, jo në fund. Per Cfarë bëhet fjalë? Bëhet fjalë për strukturën: nëse shikoni këtë strukturë akulli, do të shihni zbrazëtira të mëdha gjashtëkëndore në të, dhe kur akulli fillon të shkrihet, molekulat e ujit i bllokojnë këto zbrazëtira gjashtëkëndore, për shkak të së cilës dendësia e ujit bëhet më e madhe se dendësia e akull. Dhe ne mund të demonstrojmë se si ndodh ky proces. Unë do t'ju tregoj një film të shkurtër, shikoni me kujdes. Shkrirja do të fillojë nga sipërfaqet, kështu ndodh në fakt, por kjo është një llogaritje kompjuterike. Dhe ju do të shihni se si shkrirja përhapet brenda ... molekulat lëvizin, dhe ju shihni se si këto kanale gjashtëkëndore bllokohen dhe korrektësia e strukturës humbet.

Akulli ka disa forma të ndryshme, dhe forma e akullit që përftohet duke mbushur boshllëqet e strukturës së akullit me molekula të ftuar është shumë interesante. Por edhe vetë struktura do të ndryshojë. E kam fjalën për të ashtuquajturat hidrate të gazit ose clathrates. Ju shihni një skelet molekulash uji, në të cilin ka zbrazëtira, në të cilat ka molekula ose atome të ftuar. Molekulat e ftuar mund të jenë metan - gaz natyror, mund të jenë dioksid karboni, mund të jenë, për shembull, atom ksenon, dhe secila nga këto hidrate gazi ka një histori interesante. Fakti është se rezervat e hidratit të metanit përmbajnë 2 rend të madhësisë më shumë gaz natyror sesa fushat e gazit konvencional. Depozitat e këtij lloji ndodhen, si rregull, në raftin e detit dhe në zonat e permafrostit. Problemi është se njerëzit ende nuk kanë mësuar se si të nxjerrin gazin prej tyre në mënyrë të sigurtë dhe me kosto efektive. Nëse ky problem zgjidhet, atëherë njerëzimi do të jetë në gjendje të harrojë krizën energjetike, do të kemi një burim pothuajse të pashtershëm energjie për shekujt e ardhshëm. Hidrati i dioksidit të karbonit është shumë interesant - mund të përdoret si një mënyrë e sigurt për të varrosur dioksidin e tepërt të karbonit. Ju pomponi dioksid karboni nën presion të lehtë në akull dhe e hidhni atë në fund të detit. Ky akull ka ekzistuar atje mjaft i qetë për shumë mijëra vjet. Hidrati i ksenonit ishte shpjegimi i anestezisë së ksenonit, një hipotezë që u parashtrua 60 vjet më parë nga kimisti i madh i kristalit Linus Pauling: fakti është se nëse një personi lejohet të marrë frymë ksenon nën presion të lehtë, personi pushon së ndjeri dhimbje. Është përdorur dhe duket se përdoret ndonjëherë si një anestetik për procedurat kirurgjikale. Pse?

Ksenoni nën presion të lehtë formon komponime me molekulat e ujit, duke formuar të njëjtat hidrate gazi që bllokojnë përhapjen e një sinjali elektrik nëpër sistemin nervor të njeriut. Dhe sinjali i dhimbjes nga indi i operuar thjesht nuk arrin te muskujt, për faktin se hidrati i ksenonit formohet pikërisht me një strukturë të tillë. Kjo ishte hipoteza e parë, ndoshta e vërteta është pak më e ndërlikuar, por nuk ka dyshim se e vërteta është afër. Kur flasim për substanca të tilla poroze, nuk mund të mos kujtojmë silikate mikroporoze, të ashtuquajturat zeolite, të cilët përdoren shumë gjerësisht në industri për katalizim, si dhe për ndarjen e molekulave gjatë plasaritjes së vajit. Për shembull, molekulat e oktanit dhe mesooktanit ndahen në mënyrë të përkryer nga zeolite: kjo është e njëjta formulë kimike, por struktura e molekulave është paksa e ndryshme: njëra prej tyre është e gjatë dhe e hollë, tjetra është e shkurtër dhe e trashë. Dhe ai që është i hollë kalon nëpër zbrazëtirat e strukturës, dhe ai i trashë është shoshitur, dhe për këtë arsye strukturat e tilla, substanca të tilla quhen sita molekulare. Këto sita molekulare përdoren për të pastruar ujin, në veçanti, ujin që pimë në çezmat tona, ai duhet të kalojë nëpër filtrim të shumëfishtë, përfshirë me ndihmën e zeolitit. Kështu, ju mund të shpëtoni nga ndotja me një shumëllojshmëri të ndotësve kimikë. Ndotësit kimikë ndonjëherë janë jashtëzakonisht të rrezikshëm. Historia njeh shembuj se si helmimi me metale të rënda çoi në shembuj historikë shumë të trishtuar.

Me sa duket, perandorët e parë të Kinës, Qin Shi Huangdi dhe Ivan i Tmerrshëm, ishin viktima të helmimit me merkur dhe e ashtuquajtura sëmundja e kapelës së çmendur ishte studiuar shumë mirë, në shekujt 18-19 në Angli një klasë e tërë njerëzish punonin. në industrinë e kapelave u sëmur shumë herët me një sëmundje të çuditshme neurologjike të quajtur sëmundja e kapelës së çmendur. Fjalimi i tyre u bë jokoherent, veprimet e tyre të pakuptimta, gjymtyrët e tyre dridheshin në mënyrë të pakontrolluar dhe ranë në çmenduri dhe çmenduri. Trupi i tyre ishte në kontakt të vazhdueshëm me merkurin, pasi i njomnin këto kapele me tretësirat e kripërave të merkurit, të cilat hynin në trupin e tyre dhe ndikonin në sistemin nervor. Ivan i Tmerrshëm ishte një car shumë përparimtar, i mirë nën moshën 30 vjeç, pas së cilës ai ndryshoi brenda natës - dhe u bë një tiran i çmendur. Kur trupi i tij u zhvarros, doli se kockat e tij ishin deformuar ashpër dhe ato përmbanin një përqendrim të madh të merkurit. Fakti është se cari vuante nga një formë e rëndë e artritit, dhe në atë kohë artriti trajtohej duke fërkuar pomadat e merkurit - ky ishte i vetmi ilaç, dhe ndoshta vetëm merkuri shpjegon çmendurinë e çuditshme të Ivanit të Tmerrshëm. Qin Shi Huang, njeriu që krijoi Kinën në formën e saj aktuale, sundoi për 36 vjet dhe për 12 vitet e para ai ishte një kukull në duart e nënës së tij, regjentit, historia e tij është e ngjashme me historinë e Hamletit. Nëna dhe i dashuri i tij vranë të atin dhe më pas u përpoqën ta largonin edhe atë, një histori e tmerrshme. Por, pasi u pjekur, ai filloi të sundojë veten - dhe në 12 vjet ai ndaloi luftën e brendshme midis 7 mbretërive të Kinës, e cila zgjati 400 vjet, bashkoi Kinën, ai bashkoi peshat, paratë, shkrimin e unifikuar kinez, ai ndërtoi Murin e Madh. të Kinës, ai ndërtoi 6 5000 kilometra autostrada që janë ende në përdorim, kanale që janë ende në përdorim, dhe të gjitha u bënë nga një njeri, por vitet e fundit ai ka vuajtur një formë të çuditshme të çmendurisë maniake. Alkimistët e tij, për ta bërë të pavdekshëm, i dhanë pilula merkuri, ata besuan se kjo do ta bënte atë të pavdekshëm, si rezultat, ky njeri, i dalluar me sa duket nga shëndeti i jashtëzakonshëm, vdiq para se të mbushte 50 vjeç, dhe vitet e fundit të kësaj jeta e shkurtër u turbullua nga çmenduria. Helmimi nga plumbi mund të ketë bërë viktima të tij shumë perandorë romakë: në Romë kishte një hidraulik me plumb, një ujësjellës dhe dihet se me helmimin nga plumbi tkurren disa pjesë të trurit, këtë mund ta shihni edhe në fotot tomografike, rënie të inteligjencës. IQ bie, një person bëhet shumë agresiv. Helmimi nga plumbi është ende një problem i madh në shumë qytete dhe vende. Për të hequr qafe këto lloj pasojash të padëshiruara, ne duhet të zhvillojmë materiale të reja për të pastruar mjedisin.

Materialet interesante, të pashpjeguara plotësisht, janë superpërçues. Superpërcjellshmëria u zbulua gjithashtu 100 vjet më parë. Ky fenomen është kryesisht ekzotik, ai u zbulua në mënyrë të rastësishme. Ata thjesht ftohën merkurin në helium të lëngshëm, matën rezistencën elektrike, rezultoi se ajo bie saktësisht në zero, dhe më vonë doli që superpërçuesit e shtyjnë plotësisht fushën magnetike dhe janë në gjendje të levitojnë në një fushë magnetike. Këto dy karakteristika të superpërçuesve përdoren gjerësisht në aplikimet e teknologjisë së lartë. U shpjegua lloji i superpërçueshmërisë që u zbulua 100 vjet më parë, u desh gjysmë shekulli për t'u shpjeguar, ky shpjegim i solli çmimin Nobel John Bardeen dhe kolegëve të tij. Por më pas në vitet '80, tashmë në shekullin tonë, u zbulua një lloj i ri i superpërçueshmërisë, dhe superpërçuesit më të mirë i përkasin kësaj klase - superpërçuesit me temperaturë të lartë të bazuar në bakër. Një tipar interesant është se një superpërçueshmëri e tillë ende nuk ka asnjë shpjegim. Ka shumë aplikime për superpërçuesit. Për shembull, me ndihmën e superpërçuesve krijohen fushat magnetike më të fuqishme dhe kjo përdoret në imazhet e rezonancës magnetike. Trenat që fluturojnë Maglev janë një përdorim tjetër, dhe ja një foto që bëra personalisht në Shanghai në një tren maglev që tregon një tregues shpejtësie prej 431 kilometrash në orë. Superpërcjellësit ndonjëherë janë shumë ekzotikë: superpërçuesit organikë, domethënë superpërçuesit e bazuar në karbon, njihen për më shumë se 30 vjet; rezulton se edhe diamanti mund të bëhet një superpërçues duke futur një sasi të vogël atomesh bori në të. Grafiti gjithashtu mund të bëhet një superpërçues.

Këtu është edhe një paralele historike interesante se si vetitë e materialeve ose mosnjohja e tyre mund të kenë pasoja fatale. Dy histori shumë të bukura, por me sa duket historikisht jo të sakta, por gjithsesi do t'i tregoj, sepse një histori e bukur ndonjëherë është më e mirë se një histori e vërtetë. Në literaturën shkencore popullore, shpesh mund të gjesh referenca se si efekti i murtajës së kallajit - dhe ja shembulli i saj - shkatërroi ekspeditat e Napoleonit në Rusi dhe kapitenit Scott në Polin e Jugut. Fakti është se kallaji në një temperaturë prej 13 gradë Celsius i nënshtrohet një tranzicioni nga metali (ky është kallaj i bardhë) në kallaj gri, një gjysmëpërçues, ndërsa densiteti bie ndjeshëm - dhe kallaji shpërbëhet. Kjo quhet "murtaja e kallajit" - kallaji thjesht shkërmoqet në pluhur. Dhe këtu është një histori që nuk e kam parë një shpjegim të plotë. Napoleoni vjen në Rusi me një ushtri prej 620 mijë, jep vetëm disa beteja relativisht të vogla - dhe vetëm 150 mijë njerëz arrijnë në Borodino. 620 vijnë, 150 mijë arrijnë në Borodin pothuajse pa luftë. Nën Borodino, rreth 40 mijë viktima të tjera, pastaj një tërheqje nga Moska - dhe 5 mijë arrijnë të gjallë në Paris. Nga rruga, tërheqja ishte gjithashtu pothuajse pa luftë. Cfare po ndodh? Si të rrëshqasim nga 620 mijë pa luftë në 5 mijë? Ka historianë që pretendojnë se murtaja e kallajit është fajtore për gjithçka: butonat e uniformave të ushtarëve ishin prej kallaji, teneqeja u shkërmoq sapo hyri i ftohti dhe ushtarët ishin në të vërtetë lakuriq në brymën ruse. Problemi është se butonat janë bërë nga kallaji i ndotur, i cili është rezistent ndaj murtajës së kallajit.

Shumë shpesh mund të shihni në shtypin e shkencës popullore një përmendje se, sipas versioneve të ndryshme, kapiteni Scott ose mbante me vete aeroplanë në të cilët rezervuarët e karburantit kishin saldime kallaji, ose ushqim të konservuar në kanaçe - kallaji përsëri u shkërmoq dhe ekspedita vdiq nga uria dhe të ftohtit. Unë në fakt lexova ditarët e kapitenit Scott - ai nuk përmendi asnjë aeroplan, ai kishte një lloj motori bore, por përsëri ai nuk shkruan për rezervuarin e karburantit dhe nuk shkruan as për ushqim të konservuar. Pra, këto hipoteza, me sa duket, janë të pasakta, por shumë interesante dhe udhëzuese. Dhe të kujtosh efektin e murtajës së kallajit është të paktën e dobishme nëse do të shkosh në një klimë të ftohtë.

Këtu është një tjetër eksperiment, dhe këtu kam nevojë për ujë të valë. Një tjetër efekt që lidhet me materialet dhe strukturën e tyre, që nuk do t'i kishte ndodhur askujt, është efekti i kujtesës së formës, i zbuluar gjithashtu krejt rastësisht. Në këtë ilustrim, mund të shihni se kolegët e mi bënë dy shkronja nga ky tel: T U, Universiteti Teknik, ata e forcuan këtë formë në temperatura të larta. Nëse ngurtësoni një formë në temperaturë të lartë, materiali do ta mbajë mend këtë formë. Ju mund të bëni një zemër, për shembull, t'ia jepni të dashurit tuaj dhe t'i thoni: kjo zemër do t'i kujtojë ndjenjat e mia përgjithmonë ... atëherë kjo formë mund të shkatërrohet, por sapo ta ulni në ujë të nxehtë, forma rikthehet, duket si magji. Ju sapo e keni thyer këtë formë, por e vendosni në ujë të nxehtë - forma është rikthyer. Dhe e gjithë kjo ndodh për shkak të një transformimi strukturor shumë interesant dhe mjaft delikat që ndodh në këtë material në një temperaturë prej 60 gradë Celsius, prandaj në eksperimentin tonë nevojitet ujë i nxehtë. Dhe i njëjti transformim ndodh në çelik, por në çelik ndodh shumë ngadalë - dhe efekti i kujtesës së formës nuk ndodh. Imagjinoni sikur edhe çeliku të shfaqte një efekt të tillë, ne do të jetonim në një botë krejtësisht të ndryshme. Efekti i kujtesës së formës ka kaq shumë përdorime: mbajtëse dentare, anashkalime të zemrës, pjesë të motorit në avion për të reduktuar zhurmën, saldim në tubacionet e gazit dhe naftës. Dhe tani kam nevojë për një tjetër vullnetar... ju lutem, si e keni emrin? Vika? Ne kemi nevojë për ndihmën e Vickit për këtë tel, është një tel memorie formash. E njëjta aliazh nitinol, një aliazh i nikelit dhe titanit. Ky tel u kalit në formën e një teli të drejtë dhe ai do ta mbajë mend këtë formë përgjithmonë. Vika, merr një copë teli dhe përdredheje në çdo mënyrë, bëje sa më të tërthortë, vetëm mos i lidh nyjet: nyja nuk do të zgjidhet. Dhe tani zhyteni në ujë të vluar dhe teli do ta kujtojë këtë formë ... mirë, drejtohet? Ky efekt mund të vërehet përgjithmonë, ndoshta e kam parë një mijë herë, por çdo herë, si një fëmijë, shikoj dhe admiroj çfarë efekti të bukur. Le të duartrokasim Vikën. Do të ishte mirë nëse mund të parashikonim materiale të tilla në një kompjuter.

Dhe këtu janë vetitë optike të materialeve, të cilat janë gjithashtu krejtësisht jo të parëndësishme. Rezulton se shumë materiale, pothuajse të gjithë kristale, ndajnë një rreze drite në dy rreze që udhëtojnë në drejtime të ndryshme dhe me shpejtësi të ndryshme. Si rezultat, nëse shikoni përmes një kristali në ndonjë mbishkrim, atëherë mbishkrimi gjithmonë do të dyfishohet pak. Por, si rregull, është e padallueshme për sytë tanë. Në disa kristale, ky efekt është aq i fortë sa mund të shihni dy mbishkrime.

Pyetje nga dyshemeja: A thua - me shpejtësi të ndryshme?

Artem Oganov: Po, shpejtësia e dritës është konstante vetëm në vakum. Në mediat e kondensuar është më e ulët. Më tej, ne kemi menduar se çdo material ka një ngjyrë të caktuar. Rubini është i kuq, safiri është blu, por rezulton se ngjyra mund të varet edhe nga drejtimi. Në përgjithësi, një nga karakteristikat kryesore të një kristali është anizotropia - varësia e vetive nga drejtimi. Vetitë në këtë drejtim dhe në këtë drejtim janë të ndryshme. Këtu është kordieriti mineral, në të cilin ngjyra ndryshon nga kafe-verdhë në blu në drejtime të ndryshme, ky është i njëjti kristal. A më beson njeri? Unë solla një kristal të veçantë kordieriti, kështu që ju lutem... shikoni, çfarë ngjyre është?

Pyetje nga dyshemeja: Duket e bardhë, por...

Artem Oganov: Nga diçka e lehtë, si e bardha, në vjollcë, ju thjesht rrotulloni kristalin. Në fakt, ekziston një legjendë islandeze se si vikingët zbuluan Amerikën. Dhe shumë historianë e shohin këtë legjendë si një tregues të përdorimit të këtij efekti. Kur vikingët humbën në mes të Oqeanit Atlantik, mbreti i tyre nxori një gur të caktuar dielli dhe në dritën e muzgut arriti të përcaktojë drejtimin për në Perëndim, dhe kështu ata lundruan për në Amerikë. Askush nuk e di se çfarë është një gur dielli, por shumë historianë besojnë se një gur dielli është ajo që mban në duar Vika, kordieriti, meqë ra fjala, kordieriti gjendet në brigjet e Norvegjisë, dhe me ndihmën e këtij kristali mund të lundroni vërtet në muzg, në dritën e mbrëmjes, si dhe në gjerësi polare. Dhe ky efekt u përdor nga Forcat Ajrore të SHBA deri në vitet '50, kur u zëvendësua nga metoda më të avancuara. Dhe këtu është një tjetër efekt interesant - alexandrite, nëse dikush ka një dëshirë, unë solla një kristal të alexandritit sintetik, dhe ngjyra e tij ndryshon në varësi të burimit të dritës: në dritën e ditës dhe elektrike. Dhe, së fundi, ka një efekt tjetër interesant që shkencëtarët dhe kritikët e artit nuk mund ta kuptonin për shumë shekuj. Kupa e Likurgut është një objekt që është bërë nga artizanët romakë mbi 2000 vjet më parë. Në dritën e shpërndarë, kjo kupë është e gjelbër, dhe në dritën e transmetuar është e kuqe. Dhe unë arrita ta kuptoj këtë vetëm disa vjet më parë. Doli se tasi nuk është prej qelqi të pastër, por përmban nanogrimca ari, të cilat krijojnë këtë efekt. Tani e kuptojmë natyrën e ngjyrës - ngjyra shoqërohet me diapazon të caktuar të përthithjes, me strukturën elektronike të materies, dhe kjo, nga ana tjetër, lidhet me strukturën atomike të materies.

Pyetje nga dyshemeja: A mund të shpjegohen konceptet e "pasqyrimit" dhe "kalimit"?

Artem Oganov: Mund! Nga rruga, unë vërej se këto spektra të absorbimit përcaktojnë pse kordieriti ka një ngjyrë të ndryshme në drejtime të ndryshme. Fakti është se vetë struktura e kristalit - në veçanti, kordieriti - duket ndryshe në drejtime të ndryshme, dhe drita absorbohet ndryshe në këto drejtime.

Çfarë është drita e bardhë? Ky është i gjithë spektri nga e kuqja në vjollcë, dhe ndërsa drita kalon përmes kristalit, një pjesë e atij diapazoni absorbohet. Për shembull, një kristal mund të thithë ngjyrën blu dhe ju mund të shihni se cili do të jetë rezultati nga kjo tabelë. Nëse thithni rrezet blu, atëherë dalja do të jetë portokalli, domethënë kur shihni diçka portokalli, ju e dini që kjo substancë thithet në diapazonin blu. Drita e shpërndarë është kur keni të njëjtën filxhan Lycurgus në tryezë, drita bie dhe një pjesë e kësaj drite shpërndahet dhe hyn në sytë tuaj. Shpërndarja e dritës i bindet ligjeve krejtësisht të ndryshme dhe, në veçanti, varet nga kokrriza e objektit. Për shkak të shpërndarjes së dritës, qielli është blu. Ekziston një ligj i shpërndarjes së Rayleigh që mund të përdoret për të shpjeguar këto ngjyra.

Unë ju tregova se si pronat lidhen me strukturën. Dhe si është e mundur të parashikohet struktura kristalore, ne do të shqyrtojmë shkurtimisht tani. Kjo do të thotë se problemi i parashikimit të strukturave kristal deri vonë konsiderohej i pazgjidhshëm. Vetë ky problem është formuluar si më poshtë: si të gjejmë renditjen e atomeve që jep stabilitet maksimal - domethënë energjinë më të vogël? Si ta bëjmë atë? Ju, sigurisht, mund të zgjidhni të gjitha opsionet për rregullimin e atomeve në hapësirë, por rezulton se ka kaq shumë opsione të tilla sa nuk do të keni jetë të mjaftueshme për t'i renditur ato, në fakt, edhe për mjaft të thjeshta sistemeve, le të themi, me 20 atome, do t'ju duhet më shumë se koha e jetës së universit për të kaluar nëpër të gjitha këto kombinime të mundshme në kompjuter. Prandaj, u konsiderua se ky problem ishte i pazgjidhshëm. Megjithatë, ky problem u zgjidh, dhe me disa metoda, dhe metoda më efektive, megjithëse mund të duket jo modeste, u zhvillua nga grupi im. Metoda quhet "Suksesi", "USPEX", një metodë evolucionare, një algoritëm evolucionar, thelbin e të cilit do të përpiqem t'ju shpjegoj tani. Detyra është e barabartë me gjetjen e maksimumit global në një sipërfaqe shumëdimensionale - për thjeshtësi, merrni parasysh një sipërfaqe dydimensionale, sipërfaqen e Tokës, ku duhet të gjeni malin më të lartë pa pasur harta. Le ta themi ashtu siç tha kolegu im australian Richard Clegg - ai është australian, ai i do kangurët, dhe në formulimin e tij me ndihmën e kangurëve, kafshëve mjaft jo inteligjente, ju duhet të përcaktoni pikën më të lartë në sipërfaqen e Tokës. Kanguri kupton vetëm udhëzime të thjeshta - shkoni lart, shkoni poshtë. Në algoritmin evolucionar, ne lëshojmë një ulje kanguri, në mënyrë të rastësishme, në pika të ndryshme të planetit dhe i japim secilit prej tyre një udhëzim: ngjituni në majën e kodrës më të afërt. Dhe ata shkojnë. Kur këta kangur arrijnë në kodrat e Sparrow, për shembull, dhe kur arrijnë ndoshta në Elbrus, ata prej tyre që nuk arritën lart eliminohen, qëllohen përsëri. Vjen një gjahtar, gati thashë, një artist, vjen një gjuetar dhe qëllon dhe ata që mbijetuan marrin të drejtën e mbarështimit. Dhe falë kësaj, është e mundur të veçohen zonat më premtuese nga e gjithë hapësira e kërkimit. Dhe hap pas hapi, duke gjuajtur kangurë gjithnjë e më të gjatë, ju do ta çoni popullsinë e kangurit në një maksimum global. Kangurët do të prodhojnë gjithnjë e më shumë pasardhës të suksesshëm, gjuetarët do të gjuajnë kangur që ngjiten gjithnjë e më lart, dhe kështu kjo popullatë thjesht mund të çohet në Everest.

Dhe ky është thelbi i metodave evolucionare. Për thjeshtësi, nuk i kam lënë detajet teknike se si është zbatuar saktësisht kjo. Dhe këtu është një zbatim tjetër dy-dimensional i kësaj metode, këtu është sipërfaqja e energjisë, ne duhet të gjejmë pikën më të kaltër, këtu janë strukturat tona fillestare, të rastësishme - këto janë pikat e theksuara. Llogaritja kupton menjëherë se cilat prej tyre janë të këqija, këtu - në zonat e kuqe dhe të verdhë, cilat prej tyre janë më premtueset: në zonat blu, jeshile. Dhe hap pas hapi, dendësia e kampionimit të zonave më premtuese rritet derisa të gjejmë strukturën më të përshtatur, më të qëndrueshme. Ekzistojnë metoda të ndryshme për parashikimin e strukturave - metoda të kërkimit të rastësishëm, pjekje artificiale, e kështu me radhë, por metoda më e fuqishme doli të ishte kjo evolucionare.

Gjëja më e vështirë është se si të prodhohen pasardhës nga prindërit në një kompjuter. Si të merrni dy struktura prindërore dhe të bëni një fëmijë prej tyre? Në fakt, në një kompjuter, ju mund të bëni fëmijë jo vetëm nga dy prindër, ne eksperimentuam, ne nga tre, dhe nga katër u përpoqëm ta bënim. Por, siç rezulton, kjo nuk çon në asgjë të mirë, ashtu si në jetë. Një fëmijë është më i mirë nëse ka dy prindër. Meqë ra fjala, edhe një prind punon, dy prindër janë optimalë dhe tre ose katër nuk punojnë më. Metoda evolucionare ka disa veçori interesante, të cilat, nga rruga, kanë të përbashkëta me evolucionin biologjik. Ne shohim se si, nga strukturat e papërshtatura, të rastësishme me të cilat fillojmë llogaritjen, zgjidhjet shumë të organizuara, shumë të renditura shfaqen gjatë llogaritjes. Shohim që llogaritjet janë më efektive kur popullsia e strukturave është më e larmishme. Popullatat më të qëndrueshme dhe më të mbijetuara janë popullatat e diversitetit. Këtu, për shembull, ajo që më pëlqen në Rusi është fakti që ka më shumë se 150 kombe në Rusi. Ka flokë të hapura, ka flokë të errët, ka lloj-lloj njerëzish me kombësi kaukaziane si unë, dhe e gjithë kjo i jep popullatës ruse stabilitet dhe të ardhme. Popullatat monotone nuk kanë të ardhme. Kjo mund të shihet shumë qartë nga llogaritjet evolucionare.

A mund të parashikojmë se forma e qëndrueshme e karbonit në presionet atmosferike është grafiti? Po. Kjo llogaritje është shumë e shpejtë. Por përveç grafitit, ne prodhojmë disa zgjidhje interesante, pak më pak të qëndrueshme në të njëjtën llogaritje. Dhe këto zgjidhje mund të jenë gjithashtu interesante. Nëse rrisim presionin, grafiti tashmë është i paqëndrueshëm. Një diamant është i qëndrueshëm dhe ne gjithashtu e gjejmë atë shumë lehtë. Shihni se si llogaritja prodhon shpejt një diamant nga strukturat fillestare të çrregullta. Por përpara se të gjendet një diamant, prodhohen një sërë strukturash interesante. Për shembull, këtu është kjo strukturë. Ndërsa diamanti ka unaza gjashtëkëndore, unazat me 5 dhe 7 kënde janë të dukshme këtu. Kjo strukturë është vetëm pak më pak e qëndrueshme se diamanti, dhe në fillim menduam se ishte një kuriozitet, dhe më pas doli se kjo është një formë e re, vërtet ekzistuese e karbonit, e cila u krijua kohët e fundit nga ne dhe kolegët tanë. Kjo llogaritje është bërë në 1 milion atmosfera. Nëse e rrisim presionin në 20 milionë atmosfera, diamanti do të pushojë së qeni i qëndrueshëm. Dhe në vend të diamantit, një strukturë shumë e çuditshme do të jetë e qëndrueshme, qëndrueshmëria e së cilës për karbonin në presione të tilla dyshohet për shumë dekada, dhe llogaritja jonë e konfirmon këtë.

Është bërë shumë nga ne dhe kolegët tanë me ndihmën e kësaj metode, këtu është një përzgjedhje e vogël e zbulimeve të ndryshme. Më lejoni të flas vetëm për disa prej tyre.

Duke përdorur këtë metodë, është e mundur të zëvendësohet zbulimi laboratorik i materialeve me një kompjuter. Në zbulimin laboratorik të materialeve, Edisoni ishte kampioni i patejkalueshëm duke thënë: “Nuk kam pësuar 10 mijë dështime, kam gjetur vetëm 10 mijë mënyra që nuk funksionojnë”. Kjo ju tregon sa përpjekje, përpjekje të pasuksesshme për të bërë përpara se të bëni një zbulim të vërtetë me këtë metodë, dhe me ndihmën e dizajnit kompjuterik, mund të arrini sukses në 1 përpjekje nga 1, 100 nga 100, 10 mijë nga 10 mijë. , ky është qëllimi ynë është të zëvendësojmë metodën Edison me diçka shumë më produktive.

Tani mund të optimizojmë jo vetëm energjinë, por çdo pronë. Vetia më e thjeshtë është dendësia, dhe materiali më i dendur i njohur deri më tani është diamanti. Diamanti është përgjithësisht një mbajtës rekord në shumë aspekte. Ka më shumë atome në një centimetër kub diamanti sesa në një centimetër kub të çdo substance tjetër. Diamanti mban rekordin për fortësinë dhe është gjithashtu substanca më pak e ngjeshshme e njohur. A mund të thyhen këto rekorde? Tani mund t'ia bëjmë këtë pyetje kompjuterit dhe kompjuteri do të përgjigjet. Dhe përgjigja është po, disa nga këto rekorde mund të thyhen. Doli se është mjaft e lehtë të mposhtet diamanti për sa i përket densitetit, ka forma më të dendura të karbonit që kanë të drejtë të ekzistojnë, por ende nuk janë sintetizuar. Këto forma të karbonit mundin diamantin jo vetëm në densitet, por edhe në vetitë optike. Ata do të kenë indekse thyese më të larta dhe shpërndarje të dritës - çfarë do të thotë kjo? Indeksi i thyerjes së një diamanti i jep diamantit shkëlqimin e tij të pakrahasueshëm dhe reflektimin e brendshëm të dritës - dhe shpërndarja e dritës do të thotë që drita e bardhë do të ndahet në një spektër nga e kuqja në vjollcë edhe më shumë se një diamant. Këtu, nga rruga, është materiali që shpesh zëvendëson diamantin në industrinë e bizhuterive - zirconia kub, zirconia kub. Ai tejkalon diamantin në shpërndarjen e dritës, por, për fat të keq, është inferior ndaj diamantit në shkëlqim. Dhe format e reja të karbonit do të mundin diamantin në të dyja pikat. Po në lidhje me ngurtësinë? Deri në vitin 2003, besohej se ngurtësia është një veti që njerëzit nuk do të mësojnë kurrë ta parashikojnë dhe llogarisin, në vitin 2003 gjithçka ndryshoi me punën e shkencëtarëve kinezë, dhe këtë verë vizitova Universitetin Yangshan në Kinë, ku mora një titull tjetër profesor nderi, dhe aty vizitova themeluesin e gjithë kësaj teorie. Ne kemi zhvilluar këtë teori.

Këtu është një tabelë që tregon se si përkufizimet e llogaritura të fortësisë pajtohen me eksperimentin. Për shumicën e substancave normale, marrëveshja është e shkëlqyer, por për grafitin, modelet parashikuan që ai të ishte super i fortë, gjë që është padyshim e gabuar. Ne arritëm të kuptonim dhe rregullojmë këtë gabim. Dhe tani, me këtë model, ne mund të parashikojmë me besueshmëri fortësinë për çdo substancë dhe mund t'i bëjmë kompjuterit pyetjen e mëposhtme: cila është substanca më e fortë? A është e mundur të tejkalohet diamanti në fortësi? Njerëzit në fakt kanë menduar për këtë për shumë e shumë dekada. Pra, cila është struktura më e vështirë që ka karboni? Përgjigja ishte dekurajuese: diamant, dhe nuk mund të ketë asgjë më të vështirë në karbon. Por ju mund të gjeni struktura të karbonit që do të jenë afër diamantit në fortësi. Strukturat e karbonit që janë afër diamantit në fortësi kanë vërtet të drejtën të ekzistojnë. Dhe një prej tyre është ai që ju tregova më herët, me kanale 5 dhe 7 anëtarë. Dubrovinsky në 2001 propozoi në literaturë një substancë ultra të fortë - dioksid titani, besohej se nuk ishte shumë inferior ndaj diamantit në fortësi, por kishte dyshime. Eksperimenti ishte mjaft i diskutueshëm. Pothuajse të gjitha matjet eksperimentale nga ajo punë u hodhën poshtë herët a vonë: ishte shumë e vështirë të matej fortësia, për shkak të madhësisë së vogël të mostrave. Por llogaritja tregoi se ngurtësia gjithashtu u mat gabimisht në atë eksperiment, dhe ngurtësia reale e dioksidit të titanit është rreth 3 herë më e vogël se ajo që pretenduan eksperimentuesit. Pra, me ndihmën e këtij lloj llogaritjeje, madje mund të gjykohet se cili eksperiment është i besueshëm dhe cili jo, kështu që këto llogaritje tani kanë arritur një saktësi të lartë.

Është një histori tjetër që lidhet me karbonin që do të doja t'ju tregoja - ka qenë veçanërisht e dhunshme në 6 vitet e fundit. Por filloi 50 vjet më parë, kur studiuesit amerikanë kryen një eksperiment të tillë: morën grafit dhe e ngjeshën atë në një presion prej rreth 150-200 mijë atmosferash. Nëse grafiti kompresohet në temperatura të larta, ai duhet të shndërrohet në diamant, forma më e qëndrueshme e karbonit në presione të larta, e cila është mënyra se si sintetizohet diamanti. Nëse e bëni këtë eksperiment në temperaturën e dhomës, atëherë diamanti nuk mund të formohet. Pse? Për shkak se rirregullimi i strukturës që kërkohet për të transformuar grafitin në diamant është shumë i madh, këto struktura janë shumë të ndryshme dhe barriera e energjisë për t'u kapërcyer është shumë e madhe. Dhe në vend të formimit të një diamanti, ne do të vëzhgojmë formimin e një strukture tjetër, jo më të qëndrueshme, por asaj me pengesën më të ulët të formimit. Ne propozuam një strukturë të tillë - dhe e quajtëm atë M-karbon, kjo është e njëjta strukturë me unaza 5 dhe 7 anëtarësh; Miqtë e mi armenë e quajnë me shaka "mcarbon-shmugler". Doli se kjo strukturë përshkruan plotësisht rezultatet e atij eksperimenti 50 vjet më parë, dhe përvoja u përsërit shumë herë. Eksperimenti, meqë ra fjala, është shumë i bukur - duke ngjeshur grafitin (një gjysmëmetal i zi, i butë i errët) në temperaturën e dhomës, nën presion, studiuesit përftuan një jometal transparent super të fortë: një transformim absolutisht fantastik! Por ky nuk është një diamant, vetitë e tij nuk pajtohen me diamantin, dhe struktura jonë e atëhershme hipotetike përshkruan plotësisht vetitë e kësaj substance. Ne u gëzuam pa masë, shkruam një artikull dhe e botuam në revistën prestigjioze Physical Review Letters dhe pushuam në dafinat tona për saktësisht një vit. Një vit më vonë, shkencëtarët amerikanë dhe japonezë gjetën një strukturë të re, krejtësisht të ndryshme nga ajo, kjo, me unaza 4 dhe 8 anëtarësh. Kjo strukturë është krejtësisht e ndryshme nga e jona, por përshkruan pothuajse gjithashtu të dhënat eksperimentale. Problemi është se të dhënat eksperimentale ishin me rezolucion të ulët dhe shumë struktura të tjera ishin të përshtatshme për to. Kaluan gjashtë muaj të tjerë, një kinez i quajtur Wang propozoi W-carbon dhe W-carbon shpjegoi gjithashtu të dhënat eksperimentale. Së shpejti historia u bë groteske - grupe të reja kineze u bashkuan, dhe kinezëve u pëlqen të prodhojnë, dhe ata stampuan rreth 40 struktura, dhe të gjitha përshtaten me të dhënat eksperimentale: P-, Q-, R-, S-carbon, Q-carbon , X -, Y-, Z-karboni, M10-karboni dihet, X'-karboni, e kështu me radhë - as alfabeti nuk mjafton. Pra, kush ka të drejtë? Në përgjithësi, karboni ynë M në fillim kishte saktësisht të njëjtën të drejtë të pretendonte se ishte i drejtë si gjithë të tjerët.

Përgjigje nga audienca: Të gjithë kanë të drejtë.

Artem Oganov: As kjo nuk ndodh! Fakti është se natyra gjithmonë zgjedh zgjidhje ekstreme. Jo vetëm njerëzit janë ekstremistë, por edhe natyra është ekstremiste. Në temperatura të larta, natyra zgjedh gjendjen më të qëndrueshme, sepse në temperatura të larta mund të kaloni çdo pengesë energjetike, dhe në temperatura të ulëta, natyra zgjedh pengesën më të vogël dhe mund të ketë vetëm një fitues. Mund të ketë vetëm një kampion - por kush saktësisht? Ju mund të bëni një eksperiment me rezolucion të lartë, por njerëzit janë përpjekur për 50 vjet dhe askush nuk ia doli, të gjitha rezultatet ishin të cilësisë së dobët. Ju mund të bëni llogaritjen. Dhe në llogaritje do të ishte e mundur të merren parasysh pengesat e aktivizimit për formimin e të gjitha këtyre 40 strukturave. Por, së pari, kinezët ende po nxjerrin struktura të reja dhe të reja, dhe sado që të përpiqeni, do të ketë përsëri disa kinezë që do të thonë: Unë kam një strukturë më shumë, dhe ju do t'i numëroni këto për pjesën tjetër të jetës tuaj. barrierat e aktivizimit derisa të dërgoheni në një pushim të merituar. Kjo është vështirësia e parë. Vështirësia e dytë është se është shumë, shumë e vështirë të numërohen barrierat e aktivizimit në transformimet e gjendjes së ngurtë, kjo është një detyrë jashtëzakonisht jo e parëndësishme, nevojiten metoda speciale dhe kompjuterë të fuqishëm. Fakti është se këto transformime nuk ndodhin në të gjithë kristalin, por së pari në një fragment të vogël - embrionin, dhe më pas ai përhapet në bërthamë dhe më tej. Dhe modelimi i këtij embrioni është një detyrë jashtëzakonisht e vështirë. Por ne gjetëm një metodë të tillë, një metodë që u zhvillua më herët nga shkencëtarët austriakë dhe amerikanë, dhe ia përshtatëm detyrës sonë. Ne arritëm ta modifikonim këtë metodë në atë mënyrë që me një goditje të mundëm ta zgjidhim këtë problem njëherë e përgjithmonë. Ne shtruam problemin si më poshtë: nëse filloni me grafit, një gjendje fillestare e koduar, dhe gjendja përfundimtare jepet në mënyrë të paqartë - çdo formë tetraedrale, e hibridizuar sp3 e karbonit (dhe këto janë gjendjet që presim nën presion), atëherë cila nga barrierat do të jetë minimale? Kjo metodë mund të numërojë barrierat dhe gjen barrierën minimale, por nëse e vendosim gjendjen përfundimtare si një ansambël strukturash të ndryshme, atëherë mund ta zgjidhim problemin plotësisht. Llogaritjen e nisëm me transformimin grafit-diamant si “farë”, e dimë që ky transformim nuk vërehet në eksperiment, por po pyesnim se çfarë do të bënte llogaritja me këtë transformim. Pritëm pak (në fakt, kjo llogaritje zgjati gjysmë viti në një superkompjuter) - dhe në vend të një diamanti, llogaritja na dha karbonin M.

Në përgjithësi, duhet të them që jam një person jashtëzakonisht me fat, kam pasur 1/40 shanset për të fituar, sepse ishin rreth 40 struktura që kishin shanse të barabarta për të fituar, por unë përsëri nxora një biletë shorti. Karboni ynë M fitoi, ne botuam rezultatet tona në revistën e re prestigjioze Scientific Reports, revistën e re të grupit Nature, dhe një muaj pasi publikuam rezultatet tona teorike, rezultatet e një eksperimenti me rezolucion të lartë u botuan në të njëjtën revistë. , për herë të parë në 50 vjet. Studiuesit e Universitetit Yale bënë një eksperiment me rezolucion të lartë dhe testuan të gjitha këto struktura dhe rezultoi se vetëm karboni M i plotëson të gjitha të dhënat eksperimentale. Dhe tani në listën e formave të karbonit ekziston një alotrop tjetër i karbonit i krijuar eksperimentalisht dhe teorikisht, M-karboni.

Do të përmend edhe një transformim alkimik. Nën presion, pritet që të gjitha substancat të kthehen në një metal, herët a vonë çdo substancë do të bëhet metal. Dhe çfarë do të ndodhë me substancën, e cila fillimisht ishte tashmë një metal? Për shembull, natriumi. Natriumi nuk është thjesht një metal fare, por një metal i mahnitshëm, i përshkruar nga modeli i elektroneve të lira, domethënë është një rast ekstrem i një metali të mirë. Çfarë ndodh nëse shtrydhni natriumin? Rezulton se natriumi nuk do të jetë më një metal i mirë - në fillim, natriumi do të shndërrohet në një metal njëdimensional, domethënë, energjia elektrike do të përçojë vetëm në një drejtim. Në presione më të larta, ne parashikuam që natriumi do të humbiste fare metalitetin e tij dhe do të kthehej në një dielektrik transparent të kuqërremtë, dhe nëse presioni do të rritej edhe më tej, ai do të bëhej i pangjyrë si qelqi. Pra - ju merrni një metal të argjendtë, e shtrydhni - në fillim bëhet një metal i keq, i zi si qymyri, shtrydheni më tej - kthehet në një kristal transparent të kuqërremtë që duket si rubin, dhe pastaj bëhet i bardhë si xhami. Ne e parashikuam këtë dhe revista Nature, ku e dërguam, refuzoi ta botonte. Redaktori e ktheu tekstin brenda pak ditësh dhe tha: nuk e besojmë, është shumë ekzotik. Ne gjetëm një eksperimentues, Mikhail Yeremets, i cili ishte gati të testonte këtë parashikim, dhe ja ku është rezultati. Me 110 Gigapascal, kjo është 1.1 milion atmosfera, është ende një metal i argjendtë, me 1.5 milion atmosfera, është një metal i keq i zi. Në 2 milionë atmosfera, është një jometal transparent në të kuqërremtë. Dhe tashmë me këtë eksperiment, ne publikuam rezultatet tona shumë lehtë. Nga rruga, kjo është një gjendje mjaft ekzotike e materies, sepse elektronet nuk janë më të përhapura në hapësirë ​​(si në metale) dhe nuk janë të lokalizuara në atome ose lidhje (si në substancat jonike dhe kovalente) - elektronet valente, të cilat siguruan metalicitet ndaj natriumit, janë bllokuar në hapësirën e zbrazëtirave, ku nuk ka atome dhe janë të lokalizuara shumë fort. Një substancë e tillë mund të quhet elektrid, d.m.th. kripa, ku roli i joneve të ngarkuar negativisht, anioneve, nuk luhet nga atomet (të themi, fluori, klori, oksigjeni), por nga grupet e densitetit të elektroneve, dhe forma jonë e natriumit është shembulli më i thjeshtë dhe më i mrekullueshëm i një elektridi të njohur. .

Llogaritjet e tilla mund të përdoren gjithashtu për të kuptuar substancën e brendësisë së tokës dhe planetit. Për gjendjen e brendësisë së tokës mësojmë kryesisht nga të dhënat indirekte, nga të dhënat sizmologjike. Ne e dimë se ekziston një bërthamë metalike e Tokës, e përbërë kryesisht nga hekuri, dhe një guaskë jometalike, e përbërë nga silikate magnezi, e quajtur manteli, dhe afër sipërfaqes ka një kore të hollë tokësore në të cilën jetojmë, dhe që ne e dimë shumë mirë. Dhe brendësia e Tokës është pothuajse plotësisht e panjohur për ne. Me anë të testimit të drejtpërdrejtë, ne mund të studiojmë vetëm shumë, shumë sipërfaqen e Tokës. Pusi më i thellë është Kola Superdeep, thellësia e tij është 12.3 kilometra, i shpuar në BRSS, askush nuk mund të shponte më tej. Amerikanët u përpoqën të bënin shpime, falimentuan këtë projekt dhe e ndaluan. Shuma të mëdha u investuan në BRSS, u shpuan deri në 12 kilometra, më pas ndodhi perestrojka dhe projekti u ngri. Por rrezja e Tokës është 500 herë më e madhe, madje edhe pusi super i thellë Kola shpoi vetëm sipërfaqen e planetit. Por substanca e thellësive të Tokës përcakton fytyrën e Tokës: tërmetet, vullkanizmi, zhvendosja kontinentale. Fusha magnetike është formuar në thelbin e Tokës, të cilën ne nuk do ta arrijmë kurrë. Konvekcioni i bërthamës së jashtme të shkrirë të Tokës është përgjegjëse për formimin e fushës magnetike të Tokës. Nga rruga, thelbi i brendshëm i Tokës është i ngurtë, dhe i jashtëm është i shkrirë, është si një karamele çokollatë me çokollatë të shkrirë, dhe brenda është një arrë - kështu mund të imagjinohet thelbi i Tokës. Konvekcioni i mantelit të ngurtë të Tokës është shumë i ngadaltë, shpejtësia e tij është rreth 1 centimetër në vit; Rrjedhat më të nxehta rriten, ato më të ftohta zbresin, dhe kjo është lëvizja konvektive e mantelit të Tokës dhe është përgjegjëse për lëvizjen kontinentale, vullkanizmin, tërmetet.

Një pyetje e rëndësishme është se sa është temperatura në qendër të Tokës? Ne e dimë presionin nga modelet sizmologjike, por këto modele nuk japin temperaturë. Temperatura përcaktohet si më poshtë: ne e dimë se bërthama e brendshme është e ngurtë, bërthama e jashtme është e lëngshme dhe se bërthama është prej hekuri. Pra, nëse e dini pikën e shkrirjes së hekurit në atë thellësi, atëherë e dini temperaturën e bërthamës në atë thellësi. U bënë eksperimente, por dhanë një pasiguri prej 2 mijë gradësh dhe u bënë llogaritë dhe llogaritjet i dhanë fund kësaj çështjeje. Temperatura e shkrirjes së hekurit në kufirin e bërthamës së brendshme dhe të jashtme ishte rreth 6.4 mijë gradë Kelvin. Por kur gjeofizikanët mësuan për këtë rezultat, doli se kjo temperaturë është shumë e lartë për të riprodhuar saktë karakteristikat e fushës magnetike të Tokës - kjo temperaturë është shumë e lartë. Dhe më pas fizikanët kujtuan se, në fakt, thelbi nuk është hekur i pastër, por përmban papastërti të ndryshme. Çfarë, ende nuk e dimë saktësisht, por në mesin e kandidatëve janë oksigjeni, silikoni, squfuri, karboni, hidrogjeni. Duke ndryshuar papastërtitë e ndryshme, duke krahasuar efektet e tyre, u arrit të kuptohej se pika e shkrirjes duhet të ulet me rreth 800 gradë. 5600 gradë Kelvin është një temperaturë e tillë në kufirin e bërthamave të brendshme dhe të jashtme të Tokës, dhe ky vlerësim aktualisht pranohet përgjithësisht. Ky efekt i uljes së temperaturës nga papastërtitë, ulja eutektike e pikës së shkrirjes, është i njohur, për shkak të këtij efekti, këpucët tona vuajnë në dimër - rrugët spërkaten me kripë për të ulur pikën e shkrirjes së borës, dhe për shkak të kjo, bora e fortë, akulli kthehet në gjendje të lëngshme dhe këpucët tona vuajnë nga ky ujë i kripur.

Por ndoshta shembulli më i fuqishëm i të njëjtit fenomen është aliazhi i drurit - një aliazh që përbëhet nga katër metale, ka bizmut, plumb, kallaj dhe kadmium, secili prej këtyre metaleve ka një pikë shkrirjeje relativisht të lartë, por efekti i uljes së ndërsjellë të pika e shkrirjes punon aq shumë sa që aliazhi i drurit shkrihet në ujë të valë. Kush dëshiron ta bëjë këtë përvojë? Nga rruga, unë bleva këtë mostër të aliazhit të drurit në Jerevan në tregun e zi, i cili, me siguri, do t'i japë kësaj përvoje një aromë shtesë.

Hidh ujë të vluar dhe unë do të mbaj aliazhin e drurit dhe do të shihni se si pikat e aliazhit të drurit do të bien në gotë.

Pikat po bien - mjafton. Shkrihet në temperaturën e ujit të nxehtë.

Dhe ky efekt ndodh në thelbin e Tokës, për shkak të kësaj, pika e shkrirjes së aliazhit të hekurit zvogëlohet. Por tani pyetja tjetër është: nga çfarë përbëhet thelbi? E dimë që ka shumë hekur dhe disa elementë të lehtë-papastërti, kemi 5 kandidatë. Ne filluam me kandidatët më pak të mundshëm, karbonin dhe hidrogjenin. Më duhet të them se deri vonë, pak njerëz i kushtonin vëmendje këtyre kandidatëve, të dy konsideroheshin të pamundur. Ne vendosëm ta kontrollonim. Së bashku me një punonjës të Universitetit Shtetëror të Moskës Zulfiya Bazhanova, vendosëm të merrnim përsipër këtë detyrë, të parashikonim strukturat e qëndrueshme dhe përbërjet e qëndrueshme të karbiteve dhe hidrideve të hekurit në kushtet e bërthamës së Tokës. Ne e bëmë këtë edhe për silikonin, ku nuk gjetëm ndonjë surprizë të veçantë - dhe për karbonin, rezultoi se ato përbërje që konsideroheshin të qëndrueshme për shumë dekada, në fakt rezultojnë të jenë të paqëndrueshme në presionet e bërthamës së Tokës. Dhe rezulton se karboni është një kandidat shumë i mirë, në fakt, vetëm karboni mund të shpjegojë në mënyrë të përsosur shumë veti të bërthamës së brendshme të Tokës, në kundërshtim me punën e mëparshme. Hidrogjeni, nga ana tjetër, doli të ishte një kandidat mjaft i dobët; asnjë veçori e vetme e bërthamës së Tokës nuk mund të shpjegohet vetëm nga hidrogjeni. Hidrogjeni mund të jetë i pranishëm në sasi të vogla, por nuk mund të jetë elementi kryesor i papastërtisë në bërthamën e Tokës. Për hidridet e hidrogjenit nën presion, gjetëm një surprizë - doli se ekziston një përbërje e qëndrueshme me një formulë që bie ndesh me kiminë e shkollës. Një kimist normal do të shkruajë formulat e hidrideve të hidrogjenit si FeH 2 dhe FeH 3, në përgjithësi, FeH gjithashtu shfaqet nën presion, dhe ata e durojnë atë - por fakti që FeH 4 mund të ndodhë nën presion ishte një surprizë e vërtetë. Nëse fëmijët tanë në shkollë shkruajnë formulën FeH 4, unë garantoj se ata do të marrin një A në Kimi, ka shumë të ngjarë edhe në një të katërtën. Por rezulton se nën presion, rregullat e kimisë shkelen - dhe shfaqen komponime të tilla ekzotike. Por, siç thashë, hidridet e hekurit nuk kanë gjasa të jenë të rëndësishme për brendësinë e Tokës, nuk ka gjasa që hidrogjeni të jetë i pranishëm atje në sasi të konsiderueshme, por karboni ka shumë të ngjarë të jetë i pranishëm.

Dhe, së fundi, ilustrimi i fundit, për mantelin e Tokës, ose më mirë, për kufirin midis bërthamës dhe mantelit, e ashtuquajtura shtresa D, e cila ka veti shumë të çuditshme. Një nga vetitë ishte anizotropia e përhapjes së valëve sizmike, valëve të zërit: në drejtim vertikal dhe në drejtim horizontal, shpejtësitë ndryshojnë ndjeshëm. Pse është kështu? Për një kohë të gjatë nuk mund ta kuptoja. Rezulton se një strukturë e re e silikatit të magnezit është formuar në shtresën në kufirin e bërthamës dhe mantelit të Tokës. Ne arritëm ta kuptonim këtë 8 vjet më parë. Në të njëjtën kohë, ne dhe kolegët tanë japonezë botuam 2 punime në Science and Nature, të cilat vërtetuan ekzistencën e kësaj strukture të re. Mund të shihet menjëherë se kjo strukturë duket krejtësisht e ndryshme në drejtime të ndryshme, dhe vetitë e saj duhet të ndryshojnë në drejtime të ndryshme - duke përfshirë vetitë elastike që janë përgjegjëse për përhapjen e valëve të zërit. Me ndihmën e kësaj strukture u bë e mundur të shpjegoheshin të gjitha ato anomali fizike që u zbuluan dhe shkaktuan telashe për shumë e shumë vite. Unë madje arrita të bëj disa parashikime.

Në veçanti, planetët më të vegjël si Mërkuri dhe Marsi nuk do të kenë një shtresë si shtresa D. Nuk ka presion të mjaftueshëm për të stabilizuar këtë strukturë. Gjithashtu ishte e mundur të bëhej një parashikim që ndërsa Toka ftohet, kjo shtresë duhet të rritet, sepse qëndrueshmëria e post-perovskitit rritet me uljen e temperaturës. Është e mundur që kur është formuar Toka, kjo shtresë nuk ka ekzistuar fare dhe ka lindur në fazën e hershme të zhvillimit të planetit tonë. Dhe tani e gjithë kjo mund të kuptohet falë parashikimeve të strukturave të reja të substancave kristalore.

Përgjigje nga audienca: Falë algoritmit gjenetik.

Artem Oganov: Po, edhe pse kjo histori e fundit për post-perovskite i parapriu shpikjes së kësaj metode evolucionare. Nga rruga, ajo më nxiti të shpikja këtë metodë.

Përgjigje nga audienca: Pra, ky algoritëm gjenetik është 100 vjeç, ata thjesht nuk kanë bërë asgjë atje.

Artem Oganov: Ky algoritëm u krijua nga unë dhe studenti im i diplomuar në vitin 2006. Meqë ra fjala, ta quash atë "gjenetik" është gabim, emri më i saktë është "evolucionar". Algoritmet evolucionare u shfaqën në vitet '70 dhe kanë gjetur zbatim në shumë fusha të teknologjisë dhe shkencës. Për shembull, makinat, anijet dhe aeroplanët janë optimizuar duke përdorur algoritme evolucionare. Por për çdo detyrë të re, algoritmi evolucionar është krejtësisht i ndryshëm. Algoritmet evolucionare nuk janë një metodë, por një grup i madh metodash, një fushë e tërë e madhe e matematikës së aplikuar dhe për çdo lloj problemi të ri, duhet shpikur një qasje e re.

Përgjigje nga audienca:Çfarë matematike? Është gjenetikë.

Artem Oganov: Nuk është gjenetikë, është matematikë. Dhe për çdo detyrë të re, ju duhet të shpikni algoritmin tuaj të ri nga e para. Dhe njerëzit në fakt u përpoqën të shpiknin algoritme evolucionare para nesh dhe t'i përshtatnin ato për të parashikuar strukturat kristalore. Por ata morën algoritme nga zona të tjera shumë fjalë për fjalë - dhe nuk funksionoi, kështu që ne duhej të krijonim një metodë të re nga e para, dhe doli të ishte shumë e fuqishme. Megjithëse fusha e algoritmeve evolucionare ka ekzistuar për aq kohë sa unë, të paktën që nga viti 1975, parashikimi i strukturës kristalore ka marrë mjaft përpjekje për të krijuar një metodë pune.

Të gjithë këta shembuj që ju dhashë tregojnë sesi të kuptuarit e strukturës së materies dhe aftësia për të parashikuar strukturën e materies çon në hartimin e materialeve të reja që mund të kenë veti interesante optike, veti mekanike, veti elektronike. Materialet që përbëjnë brendësinë e Tokës dhe planetëve të tjerë. Në këtë rast, ju mund të zgjidhni një gamë të tërë detyrash interesante në një kompjuter duke përdorur këto metoda. Një kontribut të madh në zhvillimin e kësaj metode dhe aplikimin e saj dhanë punonjësit e mi dhe më shumë se 1000 përdorues të metodës sonë në pjesë të ndryshme të botës. Më lejoni sinqerisht t'i falënderoj të gjithë këta njerëz dhe organizatorët e kësaj ligjërate, dhe ju - për vëmendjen tuaj.

Diskutim leksioni

Boris Dolgin: Faleminderit shume! Faleminderit shumë, Artem, faleminderit shumë organizatorëve që na dhanë një platformë për këtë version të leksioneve publike, faleminderit shumë RVC-së që na mbështeti në këtë iniciativë, jam i sigurt se kërkimet e Artyom do të vazhdojnë, të cilat do të thotë se do të kemi material të ri për ligjëratën e tij, këtu, sepse duhet thënë se disa nga ato që u tha sot nuk ekzistonin në të vërtetë në kohën e ligjëratave të mëparshme, kështu që ka kuptim.

Pyetje nga dyshemeja: Më thuaj, të lutem, si të sigurohet temperatura e dhomës në një presion kaq të lartë? Çdo sistem i deformimit plastik shoqërohet me çlirim të nxehtësisë. Fatkeqësisht, nuk e thatë kështu.

Artem Oganov: Fakti është se gjithçka varet nga sa shpejt ngjeshni. Nëse kompresimi kryhet shumë shpejt, për shembull, në valët e goditjes, atëherë ai shoqërohet domosdoshmërisht me ngrohje, kompresimi i mprehtë domosdoshmërisht çon në një rritje të temperaturës. Nëse e bëni ngjeshjen ngadalë, atëherë kampioni ka kohë të mjaftueshme për të shkëmbyer nxehtësinë me mjedisin e tij dhe për të ardhur në ekuilibër termik me mjedisin e tij.

Pyetje nga dyshemeja: Dhe konfigurimi juaj ju lejon ta bëni këtë?

Artem Oganov: Eksperimenti nuk është kryer nga unë, kam bërë vetëm llogaritje dhe teori. Nuk e lejoj veten të eksperimentoj për shkak të censurës së brendshme. Dhe eksperimenti u krye në dhomat me kudhëra diamanti, ku një mostër është e shtrydhur midis dy diamanteve të vegjël. Në eksperimente të tilla, kampioni ka aq shumë kohë për të arritur ekuilibrin termik saqë pyetja nuk lind këtu.

- Le të merremi me dizajnimin kompjuterik të materialeve të reja. Së pari, çfarë është ajo? Fusha e njohurive? Kur shfaqet ideja dhe kjo qasje?

— Rajoni është mjaft i ri, është vetëm pak vite. Në vetvete, dizajni i materialeve të reja me ndihmën e kompjuterit ka qenë ëndrra e studiuesve, teknologëve dhe shkencëtarëve themelorë për shumë dekada. Sepse procesi i zbulimit të një materiali të ri me vetitë që ju nevojiten zakonisht kërkon shumë vite apo edhe dekada punë të të gjithë instituteve dhe laboratorëve. Ky është një proces shumë i kushtueshëm, në fund të të cilit mund të zhgënjeheni. Kjo do të thotë, ju nuk jeni gjithmonë në gjendje të shpikni një material të tillë. Por edhe kur arrin sukses, suksesi mund të marrë shumë vite punë. Kjo nuk na përshtatet aspak tani, ne duam të shpikim materiale të reja, teknologji të reja sa më shpejt të jetë e mundur.

- A mund të jepni një shembull të një materiali të tillë që nuk mund të shpiket ose nuk mund të shpiket?

- Po sigurisht. Për shembull, për shumë dekada njerëzit janë përpjekur të gjejnë një material më të fortë se diamanti. Ka pasur qindra botime për këtë temë. Në disa prej tyre, njerëzit pretenduan se gjetën një material më të fortë se diamanti, por më pas në mënyrë të pashmangshme, pas ca kohësh (zakonisht jo shumë gjatë), këto pretendime u hodhën poshtë dhe doli se ky ishte një iluzion. Deri më tani, një material i tillë nuk është gjetur dhe është mjaft e qartë pse. Me ndihmën e metodave tona, ne ishim në gjendje të tregonim se kjo është thelbësisht e pamundur, kështu që nuk ka kohë për të humbur.

- Dhe nëse përpiqeni thjesht të shpjegoni pse jo?

- Një veti si fortësia ka një kufi të fundëm për çdo material të dhënë. Nëse marrim të gjitha materialet që mund të merren, atëherë rezulton se ekziston një kufi i sipërm global i caktuar. Ndodh që ky kufi i sipërm të korrespondojë me një diamant. Pse një diamant? Sepse në këtë strukturë përmbushen njëkohësisht disa kushte: lidhje kimike shumë të forta, një densitet shumë i lartë i këtyre lidhjeve kimike dhe ato shpërndahen në mënyrë të barabartë në hapësirë. Nuk ka asnjë drejtim që është shumë më i vështirë se tjetri, është një substancë shumë e fortë në të gjitha drejtimet. I njëjti grafit, për shembull, ka lidhje më të forta se diamanti, por të gjitha këto lidhje janë të vendosura në të njëjtin rrafsh, dhe lidhjet shumë të dobëta ndërveprojnë midis planeve dhe ky drejtim i dobët e bën të gjithë kristalin të butë.

- Si u zhvillua metoda dhe si u përpoqën shkencëtarët ta përmirësonin atë?

- Edison i madh tha, për mendimin tim, në lidhje me shpikjen e tij të llambës inkandeshente: "Unë nuk dështova dhjetë mijë herë, por gjeta vetëm dhjetë mijë mënyra që nuk funksionojnë". Ky është stili tradicional i kërkimit të materialeve të reja, i cili në literaturën shkencore quhet Edisonian. Dhe, sigurisht, njerëzit gjithmonë kanë dashur të largohen nga kjo metodë, sepse kërkon një fat të rrallë Edisonian dhe durim Edisonian. Dhe shumë kohë si dhe para. Kjo metodë nuk është shumë shkencore, është më tepër një "poke" shkencore. Dhe njerëzit gjithmonë kanë dashur të largohen prej saj. Kur u shfaqën kompjuterët dhe ata filluan të zgjidhin probleme pak a shumë komplekse, menjëherë lindi pyetja: "A mund të zgjidhen të gjitha këto kombinime të kushteve të ndryshme, temperaturave, presioneve, potencialeve kimike, përbërjes kimike në një kompjuter në vend që të bëhen në një laborator? ?” Pritshmëritë në fillim ishin shumë të larta. Njerëzit e shikonin pak optimistë dhe euforikë, por së shpejti të gjitha këto ëndrra u shkatërruan në jetën e përditshme. Me metodat me të cilat njerëzit u përpoqën të zgjidhnin problemin, asgjë nuk mund të arrihet në parim.

- Pse?

“Sepse ka pafundësisht shumë opsione për rregullime të ndryshme të atomeve në strukturën e një kristali, dhe secila prej tyre do të ketë veti krejtësisht të ndryshme. Për shembull, diamanti dhe grafiti janë e njëjta substancë, dhe për shkak të faktit se struktura është e ndryshme, vetitë e tyre janë rrënjësisht të ndryshme. Pra, mund të ketë një numër të pafund opsionesh të ndryshme që ndryshojnë si nga diamanti ashtu edhe nga grafiti. Me çfarë do të filloni? Ku do ndalesh? Sa do të zgjasë? Dhe nëse prezantoni gjithashtu një variabël të përbërjes kimike, atëherë mund të dilni edhe me një numër të pafund të përbërjeve të ndryshme kimike, dhe detyra bëhet jashtëzakonisht e vështirë. Shumë shpejt, njerëzit kuptuan se metodat tradicionale, standarde për zgjidhjen e këtij problemi nuk çojnë në asgjë. Ky pesimizëm varrosi plotësisht shpresat e para që njerëzit i kishin ushqyer që nga vitet '60.

— Dizajni i kompjuterit ende konceptohet ose të paktën ndihet si një gjë vizuale. Siç e kuptoj unë, në vitet '60, '70 ose '80, kjo nuk është ende një zgjidhje vizuale, por një zgjidhje matematikore, domethënë është një llogaritje, llogaritje më e shpejtë.

- Siç e kuptoni, kur merrni numra në një kompjuter, gjithmonë mund t'i vizualizoni ato, por kjo nuk është e vetmja gjë.

- Në përgjithësi, bëhet fjalë vetëm për gatishmërinë e teknologjisë për ta bërë këtë.

- Po. Numërimi numerik është parësor, sepse gjithmonë mund të bësh një fotografi nga numrat, dhe ndoshta mund të bësh edhe numra nga një figurë, megjithëse jo shumë të sakta. Pati një sërë botimesh të famshme nga mesi i viteve 80 deri në mesin e viteve 90, të cilat më në fund rrënjosën pesimizmin në fushën tonë. Për shembull, kishte një botim të mrekullueshëm që thoshte se edhe substanca të tilla të thjeshta si grafiti ose akulli janë absolutisht të pamundura të parashikohen. Ose kishte një artikull të quajtur "A janë të parashikueshme strukturat kristalore" dhe fjala e parë e atij artikulli ishte "jo".

Çfarë do të thotë "i parashikueshëm"?

— Detyra e parashikimit të strukturës kristalore është thelbi i të gjithë fushës së projektimit të materialeve të reja. Meqenëse struktura përcakton vetitë e një substance, për të parashikuar një substancë me vetitë e dëshiruara, duhet të parashikohet përbërja dhe struktura. Problemi i parashikimit të strukturës kristalore mund të formulohet si më poshtë: supozojmë se kemi dhënë përbërjen kimike, supozojmë se është fikse, për shembull, karboni. Cila do të jetë forma më e qëndrueshme e karbonit në kushte të caktuara? Në kushte normale, ne e dimë përgjigjen - do të jetë grafit; në presione të larta, ne gjithashtu e dimë përgjigjen - është një diamant. Por krijimi i një algoritmi që mund t'ju japë është një detyrë shumë e vështirë. Ose mund ta formuloni problemin në një mënyrë tjetër. Për shembull, për të njëjtin karbon: cila do të ishte struktura më e vështirë që korrespondon me këtë përbërje kimike? Rezulton një diamant. Tani le të bëjmë një pyetje tjetër: cila do të jetë më e dendura? Duket se është edhe diamant, por jo. Rezulton se një formë karboni më e dendur se diamanti mund të shpiket, të paktën në një kompjuter, dhe në parim mund të sintetizohet. Për më tepër, ka shumë forma të tilla hipotetike.

- Edhe kështu?

- Edhe kështu. Por asgjë nuk është më e vështirë se një diamant. Njerëzit kanë mësuar të marrin përgjigje për pyetje të tilla kohët e fundit. Kohët e fundit, janë shfaqur algoritme, janë shfaqur programe që mund ta bëjnë këtë. Në këtë rast, në fakt, e gjithë kjo fushë kërkimore doli të lidhej me punën tonë në vitin 2006. Pas kësaj, edhe shumë studiues të tjerë filluan të merren me këtë problem. Në përgjithësi, ne ende nuk e humbim pëllëmbën dhe nxjerrim gjithnjë e më shumë metoda, materiale të reja dhe të reja.

- "Kush jemi ne?

— Ky jemi unë dhe studentët e mi, studentë të diplomuar dhe studiues.

— Për ta bërë të qartë, sepse “ne” është kaq polisemantike, në këtë rast polisemantike, mund të perceptohet në mënyra të ndryshme. Çfarë është kaq revolucionare?

— Fakti është se njerëzit e kanë kuptuar se kjo detyrë shoqërohet me një problem kombinues pafundësisht kompleks, domethënë, numri i opsioneve midis të cilave duhet të zgjidhni më të mirën është i pafund. Si mund të zgjidhet ky problem? Në asnjë mënyrë. Ju thjesht nuk mund t'i afroheni asaj dhe të ndiheni rehat. Por ne kemi gjetur një mënyrë që ky problem mund të zgjidhet në mënyrë mjaft efektive - një mënyrë e bazuar në evolucion. Kjo, mund të thuhet, është një metodë e përafrimeve të njëpasnjëshme, kur nga zgjidhjet fillimisht të dobëta me metodën e përmirësimit të njëpasnjëshëm vijmë në zgjidhje gjithnjë e më të përsosura. Mund të themi se kjo është një metodë e inteligjencës artificiale. Inteligjenca artificiale, e cila bën një sërë supozimesh, hedh poshtë disa prej tyre dhe ndërton edhe më interesante nga strukturat dhe kompozimet më të besueshme, më interesante. Kjo do të thotë, ai mëson nga historia e tij, prandaj mund të quhet inteligjencë artificiale.

- Do të doja të kuptoja se si shpikni, shpikni materiale të reja në një shembull specifik.

— Le të përpiqemi ta përshkruajmë atë në shembullin e të njëjtit karbon. Ju dëshironi të parashikoni se cila formë e karbonit është më e vështira. Një numër i vogël i strukturave të rastësishme të karbonit janë specifikuar. Disa struktura do të përbëhen nga molekula diskrete, si fullerene; disa struktura do të përbëhen nga shtresa, si grafiti; disa do të përbëhen nga zinxhirë karboni, të ashtuquajturat karabina; disa do të jenë të lidhura tre-dimensionale, si një diamant (por jo vetëm një diamant, ka një numër të pafund strukturash të tilla). Ju gjeneroni rastësisht këto lloj strukturash së pari, pastaj bëni optimizimin lokal, ose atë që ne e quajmë "relaksim". Kjo do të thotë, ju i lëvizni atomet derisa forca që rezulton në atom të jetë zero, derisa të gjitha sforcimet në strukturë të zhduken, derisa të hyjë në formën e saj ideale ose të marrë formën e saj më të mirë lokale. Dhe për këtë strukturë, ju llogaritni vetitë, të tilla si ngurtësia. Le të shohim fortësinë e fullereneve. Ka lidhje të forta, por vetëm brenda molekulës. Vetë molekulat janë të ndërlidhura shumë dobët, për shkak të kësaj, ngurtësia është pothuajse zero. Shikoni grafitin - e njëjta histori: lidhje të forta brenda shtresës, të dobëta midis shtresave, dhe si rezultat, substanca shpërbëhet shumë lehtë, fortësia e saj do të jetë shumë e vogël. Substancat si fullerene ose karabina ose grafiti do të jenë shumë të buta dhe ne i refuzojmë ato menjëherë. Strukturat e mbetura të karbonit janë të lidhura tredimensionale, kanë lidhje të forta në të tre dimensionet, nga këto struktura zgjedhim ato më të forta dhe u japim mundësinë të prodhojnë struktura bija. Si duket? Marrim një strukturë, marrim një strukturë tjetër, presim pjesët e tyre, i bashkojmë, si në një konstruktor dhe përsëri relaksohemi, domethënë japim mundësinë që të gjitha streset të largohen. Ka mutacione - kjo është një mënyrë tjetër për të prodhuar pasardhës nga prindërit. Marrim një nga strukturat më të forta dhe e ndryshojmë atë, për shembull, aplikojmë një stres të madh prerës në mënyrë që disa lidhje thjesht të shpërthejnë atje, ndërsa të tjerat, të reja, të formohen. Ose i zhvendosim atomet në drejtimet më të dobëta të strukturës në mënyrë që të largojmë këtë dobësi nga sistemi. Ne relaksojmë të gjitha strukturat e prodhuara në këtë mënyrë, domethënë heqim streset e brendshme dhe më pas vlerësojmë përsëri vetitë. Ndodh që ne morëm një strukturë të fortë, e ndryshuam atë dhe ajo u bë e butë, u shndërrua, të themi, në grafit. Ne e heqim këtë strukturë menjëherë. Dhe nga ato që janë solide, ne përsëri prodhojmë "fëmijë". Dhe kështu ne përsërisim hap pas hapi, brez pas brezi. Dhe mjaft shpejt arrijmë te diamanti.

- Në të njëjtën kohë, momentet kur refuzojmë, krahasojmë, lidhim dhe ndryshojmë strukturën, bëjmë inteligjencën artificiale, bëjmë programin? Jo një njeri?

- Programi e bën atë. Nëse do ta bënim këtë, do të përfundonim në Kashchenko, sepse ky është një numër i madh operacionesh që një person nuk ka nevojë të bëjë dhe për arsye krejtësisht shkencore. E kuptoni, një person lind, thith përvojën nga bota përreth dhe me këtë përvojë vjen një lloj paragjykimi. Ne shohim një strukturë simetrike - themi: "Kjo është e mirë"; ne shohim asimetrike - themi: "Kjo është e keqe". Por për natyrën, ndonjëherë është e kundërta. Metoda jonë duhet të jetë e lirë nga subjektiviteti dhe paragjykimet njerëzore.

— A e kuptoj saktë nga ajo që përshkruat se, në parim, kjo detyrë është formuluar jo aq nga shkenca themelore, sa nga zgjidhja e detyrave mjaft specifike të vendosura nga ndonjë kompani e rregullt transnacionale? Këtu kemi nevojë për çimento të re që të jetë më viskoze, më e dendur ose, anasjelltas, më e lëngshme, e kështu me radhë.

- Aspak. Në fakt, unë kam ardhur nga shkenca themelore në arsimin tim, kam studiuar shkenca themelore, jo shkenca të aplikuara. Tani jam i interesuar të zgjidh problemet e aplikuara, veçanërisht pasi metodologjia që shpiva është e zbatueshme për problemet më të rëndësishme të aplikuara të një game shumë të gjerë. Por fillimisht kjo metodë u shpik për të zgjidhur problemet themelore.

- Cfare lloji?

— Unë kam studiuar fizikë dhe kimi me presion të lartë për një kohë të gjatë. Kjo është një zonë në të cilën janë bërë shumë zbulime interesante në mënyrë eksperimentale. Por eksperimentet janë komplekse dhe shumë shpesh rezultatet eksperimentale rezultojnë të gabuara me kalimin e kohës. Eksperimentet janë të shtrenjta dhe kërkojnë kohë.

- Jep një shembull.

- Për shembull, për një kohë të gjatë kishte një garë midis shkencëtarëve sovjetikë dhe amerikanë: kush do të marrë hidrogjenin e parë metalik nën presion. Pastaj doli, për shembull, që shumë elementë të thjeshtë nën presion bëhen (ky është një transformim i tillë alkimik) një metal kalimtar. Për shembull, ju merrni kalium: kaliumi ka vetëm një elektron s në shtresën e valencës, dhe kështu nën presion ai bëhet një element d; Orbitalja s zbrazet dhe orbitalja d e papushtuar është e populluar nga ky elektron i vetëm. Dhe kjo është shumë e rëndësishme, sepse kaliumi, duke u bërë një metal kalimtar, më pas merr mundësinë për të hyrë, për shembull, në hekur të lëngshëm. Pse është e rëndësishme? Sepse tani ne besojmë se kaliumi në sasi të vogla është pjesë e bërthamës së Tokës dhe është një burim nxehtësie atje. Fakti është se një nga izotopet e kaliumit (kaliumi radioaktiv-40) është një nga prodhuesit kryesorë të nxehtësisë në Tokë sot. Nëse kaliumi nuk përfshihet në bërthamën e Tokës, atëherë duhet të ndryshojmë plotësisht të kuptuarit tonë për moshën e jetës në Tokë, moshën e fushës magnetike, historinë e bërthamës së Tokës dhe shumë gjëra të tjera interesante. Këtu është një transformim alkimik - elementët s bëhen elementë d. Në presione të larta, kur ngjeshni lëndën, energjia që shpenzoni për ngjeshje herët a vonë do të tejkalojë energjinë e lidhjeve kimike dhe energjinë e tranzicionit ndërorbital në atome. Dhe falë kësaj, ju mund të ndryshoni rrënjësisht strukturën elektronike të atomit dhe llojin e lidhjes kimike në substancën tuaj. Lloje krejtësisht të reja substancash mund të lindin. Dhe intuita standarde kimike nuk funksionon në raste të tilla, domethënë rregullat që mësojmë nga banka e shkollës në mësimet e kimisë, ato fluturojnë në ferr kur presioni arrin vlera mjaftueshëm të mëdha. Mund t'ju them se çfarë lloj gjërash janë parashikuar nga metoda jonë dhe më pas janë vërtetuar eksperimentalisht. Kur u shfaq kjo metodë, u bë një tronditje për të gjithë. Një nga veprat më interesante lidhej me elementin natrium. Ne parashikuam që nëse ngjeshim natriumin në një presion prej rreth 2 milion atmosferash (nga rruga, presioni në qendër të Tokës është pothuajse 4 milion atmosfera, dhe presione të tilla mund të merren eksperimentalisht), ai nuk do të jetë më një metal. , por një dielektrik, për më tepër, ngjyra transparente dhe të kuqe. Kur bëmë këtë parashikim, askush nuk na besoi. Revista Nature, së cilës i dërguam këto rezultate, madje refuzoi ta merrte në konsideratë këtë artikull, ata thanë se ishte e pamundur të besohej në të. Unë kontaktova me eksperimentuesit nga grupi i Mikhail Yeremets, të cilët gjithashtu më thanë se ishte e pamundur të besoja në këtë, por nga respekti ata do të përpiqeshin akoma të bënin një eksperiment të tillë. Dhe ky eksperiment konfirmoi plotësisht parashikimet tona. U parashikua struktura e fazës së re të elementit bor - struktura më e vështirë për këtë element, një nga substancat më të vështira të njohura për njerëzimin. Dhe atje doli që atome të ndryshme të borit kanë një ngarkesë elektrike të ndryshme, domethënë ato papritmas bëhen të ndryshme: disa janë të ngarkuar pozitivisht, disa janë të ngarkuar negativisht. Ky artikull është cituar pothuajse 200 herë në vetëm tre vjet.

Ju thatë se kjo është një detyrë themelore. Apo i zgjidhni kryesisht problemet themelore dhe vetëm së fundmi disa çështje praktike? Historia e natriumit. Per cfare? Kjo do të thotë, ju u ulët dhe u ulët dhe mendoni se çfarë të merrni - unë do të marr natrium, ndoshta, dhe do ta kompresoj atë në 2 milion atmosfera?

- Jo sigurisht në atë mënyrë. Kam marrë një grant për të studiuar sjelljen e elementeve nën presion të lartë në mënyrë që të kuptoj më mirë kiminë e elementeve. Të dhënat eksperimentale nën presion të lartë janë ende shumë fragmentare dhe ne vendosëm të kalojmë pak a shumë në të gjithë Tabelën Periodike për të kuptuar se si ndryshojnë elementët dhe kimia e tyre nën presion. Ne kemi botuar një numër punimesh, në veçanti, mbi natyrën e superpërçueshmërisë në oksigjen nën presion, pasi oksigjeni nën presion bëhet një superpërçues. Për një sërë elementësh të tjerë: elementë alkaline ose elementë alkaline tokësore etj. Por më interesante, ndoshta, ishte zbulimi i fenomeneve të reja në natrium dhe bor. Këto ishin ndoshta dy elementët që na befasuan më shumë. Kështu e nisëm. Dhe tani kemi kaluar në zgjidhjen e problemeve praktike, po bashkëpunojmë me kompani si Intel, Samsung, Fujitsu, Toyota, Sony. Toyota, me sa di unë, së fundmi ka shpikur një material të ri për bateritë e litiumit duke përdorur metodën tonë dhe do ta nxjerrë këtë material në treg.

- Ata morën metodën tuaj, morën teknologjinë e kërkimit të materialeve, por ju jo?

- Po sigurisht. Ne nuk imponohemi në ngarkesë, por përpiqemi të ndihmojmë të gjithë studiuesit. Programi ynë është i disponueshëm për këdo që dëshiron ta përdorë atë. Kompanitë duhet të paguajnë diçka për të drejtën e përdorimit të programit. Dhe shkencëtarët që punojnë në akademi e marrin atë falas duke e shkarkuar thjesht nga faqja jonë e internetit. Programi ynë tashmë ka pothuajse 2 mijë përdorues në mbarë botën. Dhe jam shumë i lumtur kur shoh që përdoruesit tanë arrijnë diçka të mirë. Unë, grupi im, kam më shumë se sa duhet nga zbulimet e mia, nga veprat e mia, nga njohuritë e mia. Kur shohim të njëjtën gjë në grupe të tjera, kjo vetëm kënaq.

Materiali u përgatit në bazë të programit radiofonik "PostNauka" në Shërbimin e Lajmeve të Radios Ruse.

Artem Oganov, një nga mineralologët teorikë më të cituar në botë, na tregoi për një parashikim kompjuterik që kohët e fundit është bërë i arritshëm. Më parë, ky problem nuk mund të zgjidhej sepse problemi i projektimit kompjuterik të materialeve të reja përfshin problemin e strukturave kristalore, i cili konsiderohej i pazgjidhshëm. Por falë përpjekjeve të Oganov dhe kolegëve të tij, ata arritën t'i afrohen kësaj ëndrre dhe ta bëjnë realitet.

Pse është e rëndësishme kjo detyrë: Në të kaluarën, substanca të reja prodhoheshin për një kohë shumë të gjatë dhe me shumë përpjekje.

Artem Oganov: "Eksperimentuesit po shkojnë në laborator. Përzieni substanca të ndryshme në temperatura dhe presione të ndryshme. Merrni substanca të reja. Matni vetitë e tyre. Si rregull, këto substanca nuk janë me interes dhe hidhen. Dhe eksperimentuesit po përpiqen përsëri të marrin një substancë paksa të ndryshme në kushte të ndryshme, me një përbërje paksa të ndryshme. Dhe kështu, hap pas hapi, ne kapërcejmë shumë dështime, duke shpenzuar vite të jetës sonë për këtë. Rezulton se studiuesit, me shpresën për të marrë një material, shpenzojnë një sasi të madhe përpjekjesh, kohe dhe parash. Ky proces mund të zgjasë me vite. Mund të rezultojë të jetë një rrugë pa krye dhe të mos çojë kurrë në zbulimin e materialit të dëshiruar. Por edhe kur të çon në sukses, ai sukses ka një çmim shumë të lartë”.

Prandaj, është e nevojshme të krijohet një teknologji që mund të bëjë parashikime pa gabime. Dmth të mos eksperimentosh në laboratorë, por t'i japësh detyrë kompjuterit të parashikojë se cili material, me çfarë përbërje dhe temperaturë do të ketë vetitë e dëshiruara në kushte të caktuara. Dhe kompjuteri, duke renditur opsionet e shumta, do të jetë në gjendje të përgjigjet se cila përbërje kimike dhe cila strukturë kristalore do të plotësojë kërkesat e dhëna. Rezultati mund të jetë i tillë që materiali i dëshiruar të mos ekzistojë. Ose ai është dhe jo vetëm.
Dhe këtu lind një problem i dytë, zgjidhja e të cilit ende nuk është zgjidhur: si ta merrni këtë material? Kjo do të thotë, përbërja kimike, struktura kristalore është e qartë, por ende nuk ka asnjë mënyrë për ta zbatuar atë, për shembull, në një shkallë industriale.

Teknologjia e parashikimit

Gjëja kryesore për të parashikuar është struktura kristalore. Më parë, nuk ishte e mundur të zgjidhej ky problem, sepse ka shumë opsione për rregullimin e atomeve në hapësirë. Por shumica dërrmuese e tyre nuk janë me interes. Ajo që është e rëndësishme janë ato opsione për rregullimin e atomeve në hapësirë ​​që janë mjaftueshëm të qëndrueshme dhe kanë vetitë e nevojshme për studiuesin.
Cilat janë këto veti: fortësi e lartë ose e ulët, përçueshmëri elektrike dhe përçueshmëri termike, etj. Struktura kristal është e rëndësishme.

“Nëse mendoni për, të themi, karbonin, shikoni diamantin dhe grafitin. Kimikisht, ato janë e njëjta substancë. Por pronat janë krejtësisht të ndryshme. Karboni i zi super i butë dhe diamant super i fortë transparent - çfarë e bën dallimin mes tyre? Është struktura kristalore. Falë saj njëra substancë është super e fortë, tjetra është super e butë. Njëri është një përcjellës pothuajse metalik. Tjetri është një dielektrik."

Për të mësuar se si të parashikohet një material i ri, së pari duhet të mësohet se si të parashikohet struktura kristalore. Për ta bërë këtë, Oganov dhe kolegët e tij propozuan një qasje evolucionare në 2006.

“Në këtë qasje, ne nuk po përpiqemi të provojmë të gjithë numrin e pafund të strukturave kristalore. Do ta provojmë hap pas hapi, duke filluar me një kampion të vogël të rastësishëm, brenda të cilit renditim zgjidhjet e mundshme, më të këqijat prej të cilave i hedhim poshtë. Dhe nga më të mirat prodhojmë variante për fëmijë. Variantet e bijës prodhohen nga mutacione të ndryshme ose nga rikombinimi - nga trashëgimia, ku nga dy prindër kombinojmë tipare të ndryshme strukturore të përbërjes. Nga kjo, përftohet një strukturë fëmijësh - një material për fëmijë, një përbërje kimike për fëmijë, një strukturë fëmijësh. Këto komponime të fëmijëve më pas vlerësohen gjithashtu. Për shembull, nga stabiliteti ose nga vetia kimike ose fizike që ju intereson. Dhe ato që u renditën si të pafavorshme, ne i hedhim. Ata që janë premtues marrin të drejtën për të lindur. Nga mutacioni ose trashëgimia ne prodhojmë brezin e ardhshëm.”

Pra, shkencëtarët hap pas hapi po i afrohen materialit optimal për ta për sa i përket një vetie fizike të caktuar. Qasja evolucionare në këtë rast funksionon në të njëjtën mënyrë si teoria darviniane e evolucionit, ky parim kryhet nga Oganov dhe kolegët e tij në një kompjuter kur kërkojnë struktura kristalore që janë optimale për sa i përket një vetie ose stabiliteti të caktuar.

“Mund të them gjithashtu (por kjo tashmë është pak në prag të huliganizmit) që kur bëmë zhvillimin e kësaj metode (nga rruga, zhvillimi është në vazhdim. Është përmirësuar gjithnjë e më shumë), ne eksperimentuam me të ndryshme mënyrat e evolucionit. Për shembull, ne u përpoqëm të prodhonim një fëmijë jo nga dy prindër, por nga tre ose katër. Doli se, ashtu si në jetë, është optimale të lindësh një fëmijë nga dy prindër. Një fëmijë ka dy prindër - babanë dhe nënën. Jo tre, jo katër, jo njëzet e katër. Kjo është më e mira si në natyrë ashtu edhe në kompjuter.”

Oganov patentoi metodën e tij dhe tani ajo përdoret nga pothuajse mijëra studiues në mbarë botën dhe disa kompani të mëdha si Intel, Toyota dhe Fujitsu. Toyota, për shembull, tha Oganov, ka përdorur këtë metodë për disa kohë për të shpikur një material të ri për bateritë e litiumit që do të përdoren në makinat hibride.

Problemi me diamantin

Besohet se diamanti, duke qenë mbajtësi më i fortë i rekordeve, është materiali super i fortë për të gjitha aplikimet. Megjithatë, kjo nuk është kështu, sepse në hekur, për shembull, ai tretet, por në një mjedis oksigjeni digjet në një temperaturë të lartë. Në përgjithësi, kërkimi për një material që do të ishte më i vështirë se diamanti e shqetësoi njerëzimin për shumë dekada.

“Një llogaritje e thjeshtë kompjuterike që është bërë nga grupi im tregon se një material i tillë nuk mund të ekzistojë. Në fakt, vetëm diamanti mund të jetë më i fortë se diamanti, por në formë nano-kristaline. Materialet e tjera nuk mund të mposhtin diamantin për sa i përket fortësisë.

Një drejtim tjetër i grupit të Oganov është parashikimi i materialeve të reja dielektrike që mund të shërbejnë si bazë për superkondensatorët për ruajtjen e energjisë elektrike, si dhe për miniaturizimin e mëtejshëm të mikroprocesorëve kompjuterikë.
“Ky miniaturizim në fakt po përballet me pengesa. Sepse materialet dielektrike të disponueshme mund t'i rezistojnë ngarkesave elektrike mjaft dobët. Ata po rrjedhin. Dhe miniaturizimi i mëtejshëm është i pamundur. Nëse mund të marrim një material që ngjitet me silikon, por në të njëjtën kohë ka një konstante dielektrike shumë më të lartë se materialet që kemi, atëherë mund ta zgjidhim këtë problem. Dhe ne kemi një progres mjaft serioz edhe në këtë drejtim.”

Dhe gjëja e fundit që bën Oganov është zhvillimi i barnave të reja, domethënë parashikimi i tyre gjithashtu. Kjo është e mundur për shkak të faktit se shkencëtarët kanë mësuar të parashikojnë strukturën dhe përbërjen kimike të sipërfaqes së kristaleve.

“Fakti është se sipërfaqja e një kristali shpesh ka një përbërje kimike që ndryshon nga vetë substanca e kristalit. Struktura është gjithashtu shumë shpesh rrënjësisht e ndryshme. Dhe ne zbuluam se sipërfaqet e kristaleve të oksidit të thjeshtë, në dukje inerte (si oksidi i magnezit) përmbajnë jone shumë interesante (si p.sh. joni i peroksidit). Ato përmbajnë gjithashtu grupe të ngjashme me ozonin, të përbërë nga tre atome oksigjeni. Kjo shpjegon një vëzhgim jashtëzakonisht interesant dhe të rëndësishëm. Kur një person thith grimca të imëta të mineraleve okside, të cilat në dukje janë inerte, të sigurta dhe të padëmshme, këto grimca luajnë një shaka mizore dhe kontribuojnë në zhvillimin e kancerit të mushkërive. Në veçanti, asbesti, i cili është jashtëzakonisht inert, njihet si kancerogjen. Pra, në sipërfaqen e mineraleve të tilla si asbesti dhe kuarci (veçanërisht kuarci), mund të formohen jone peroksid, të cilët luajnë një rol kyç në formimin dhe zhvillimin e kancerit. Duke përdorur teknikën tonë, është gjithashtu e mundur të parashikohen kushtet në të cilat formimi i grimcave të tilla mund të shmanget. Domethënë, ka shpresë edhe për të gjetur një terapi dhe parandalim të kancerit të mushkërive. Në këtë rast, ne po flasim vetëm për kancerin e mushkërive. Dhe në një mënyrë krejtësisht të papritur, rezultatet e hulumtimit tonë kanë bërë të mundur për të kuptuar, dhe ndoshta edhe për të parandaluar ose kuruar kancerin e mushkërive.”

Për ta përmbledhur, parashikimi i strukturave kristalore mund të luajë një rol kyç në hartimin e materialeve si për mikroelektronikën ashtu edhe për farmaceutikën. Në përgjithësi, një teknologji e tillë hap një rrugë të re në teknologjinë e së ardhmes, është i sigurt Oganov.

Mund të lexoni në lidhje me fushat e tjera të laboratorit të Artem-it dhe të lexoni librin e tij Metodat moderne të parashikimit të strukturës kristalore

Thelbi i kërkimit për strukturën më të qëndrueshme reduktohet në llogaritjen e një gjendjeje të tillë të materies, e cila ka energjinë më të ulët. Energjia në këtë rast varet nga ndërveprimi elektromagnetik i bërthamave dhe elektroneve të atomeve që përbëjnë kristalin në studim. Mund të vlerësohet duke përdorur llogaritjet mekanike kuantike bazuar në një ekuacion të thjeshtuar të Schrödinger-it. Pra përdor algoritmi USPEX teoria funksionale e densitetit e cila u zhvillua në gjysmën e dytë të shekullit të kaluar. Qëllimi i tij kryesor është të thjeshtojë llogaritjet e strukturës elektronike të molekulave dhe kristaleve. Teoria bën të mundur zëvendësimin e funksionit të valës me shumë elektrone me densitetin e elektronit, duke mbetur zyrtarisht i saktë (por në fakt, përafrimet rezultojnë të pashmangshme). Në praktikë, kjo çon në një ulje të kompleksitetit të llogaritjeve dhe, si rezultat, në kohën që do të shpenzohet për to. Kështu, llogaritjet mekanike kuantike kombinohen me algoritmin evolucionar në USPEX (Fig. 2). Si funksionon algoritmi evolucionar?

Ju mund të kërkoni për struktura me energjinë më të ulët me numërim: renditni rastësisht atomet në lidhje me njëri-tjetrin dhe analizoni secilën gjendje të tillë. Por meqenëse numri i opsioneve është i madh (edhe nëse ka vetëm 10 atome, atëherë do të ketë rreth 100 miliardë mundësi për rregullimin e tyre në raport me njëri-tjetrin), llogaritja do të zgjaste shumë. Prandaj, shkencëtarët arritën të arrijnë sukses vetëm pasi zhvilluan një metodë më dinake. Algoritmi USPEX bazohet në një qasje evolucionare (Fig. 2). Së pari, gjenerohen rastësisht një numër i vogël strukturash dhe llogaritet energjia e tyre. Opsionet me energjinë më të madhe, pra më pak të qëndrueshme, sistemi i heq, dhe nga më të qëndrueshmet gjeneron të ngjashme dhe tashmë i llogarit ato. Në të njëjtën kohë, kompjuteri vazhdon të gjenerojë në mënyrë të rastësishme struktura të reja për të ruajtur diversitetin e popullsisë, gjë që është një kusht thelbësor për një evolucion të suksesshëm.

Kështu, logjika e marrë nga biologjia ndihmoi në zgjidhjen e problemit të parashikimit të strukturave kristalore. Është e vështirë të thuhet se ka një gjen në këtë sistem, sepse strukturat e reja mund të ndryshojnë nga paraardhësit e tyre në mënyra shumë të ndryshme. "Individët" më të përshtatur me kushtet e përzgjedhjes lënë pasardhës, domethënë, algoritmi, duke mësuar nga gabimet e tij, maksimizon shanset për sukses në përpjekjen e radhës. Sistemi gjen shpejt opsionin me energjinë më të ulët dhe llogarit në mënyrë efikase situatën kur një njësi strukturore (qelizë) përmban dhjetëra dhe madje qindra atomet e para, ndërsa algoritmet e mëparshme nuk mund të përballonin as dhjetë.

Një nga sfidat e reja me të cilat përballet USPEX në MIPT është parashikimi i strukturës terciare të proteinave nga sekuenca e tyre aminoacide. Ky problem i biologjisë molekulare moderne është një nga problemet kryesore. Në përgjithësi, detyra para shkencëtarëve është shumë e vështirë, edhe sepse është e vështirë të llogaritet energjia për një molekulë kaq komplekse si një proteinë. Sipas Artem Oganov, algoritmi i tij tashmë është në gjendje të parashikojë strukturën e peptideve me gjatësi rreth 40 aminoacide.

Video 2. Polimere dhe biopolimere. Cilat substanca janë polimeret? Cila është struktura e një polimeri? Sa i përhapur është përdorimi i materialeve polimerike? Për këtë flet profesori doktor i kristalografisë Artem Oganov.

Shpjegimi i USPEX

Në një nga artikujt e tij shkencorë popullorë, Artem Oganov (Fig. 3) përshkruan USPEX si më poshtë:

“Këtu është një shembull figurativ për të demonstruar idenë e përgjithshme. Imagjinoni që ju duhet të gjeni malin më të lartë në sipërfaqen e një planeti të panjohur, ku mbretëron errësira e plotë. Për të kursyer burime, është e rëndësishme të kuptojmë se nuk kemi nevojë për një hartë të plotë reliev, por vetëm për pikën më të lartë të saj.

Figura 3. Artem Romaevich Oganov

Ju zbarkoni një forcë të vogël biorobotësh në planet, duke i dërguar ata një nga një në vende të rastësishme. Udhëzimi që duhet të ndjekë çdo robot është të ecë përgjatë sipërfaqes kundër forcave të tërheqjes gravitacionale dhe përfundimisht të arrijë majën e kodrës më të afërt, koordinatat e së cilës duhet t'i raportojë bazës orbitale. Ne nuk kemi fonde për një kontigjent të madh kërkimor dhe gjasat që një nga robotët të ngjitet menjëherë në malin më të lartë është jashtëzakonisht i vogël. Kjo do të thotë se është e nevojshme të zbatohet parimi i njohur i shkencës ushtarake ruse: "luftoni jo me numra, por me aftësi", i cili zbatohet këtu në formën e një qasjeje evolucionare. Duke gjetur fqinjin më të afërt, robotët takohen dhe riprodhojnë llojin e tyre, duke i vendosur ata përgjatë vijës midis majave "të tyre". Pasardhësit e biorobotëve fillojnë të ndjekin të njëjtat udhëzime: lëvizin në drejtim të lartësisë së relievit, duke eksploruar zonën midis dy majave të "prindërve" të tyre. Ata “individë” që kanë hasur në maja nën nivelin mesatar tërhiqen (kështu kryhet përzgjedhja) dhe zbarkohen sërish në mënyrë të rastësishme (kështu modelohet ruajtja e “diversitetit gjenetik” të popullsisë)”.

Si të vlerësohet gabimi me të cilin funksionon USPEX? Ju mund të merrni një problem me përgjigjen e saktë të njohur paraprakisht dhe ta zgjidhni atë në mënyrë të pavarur 100 herë duke përdorur një algoritëm. Nëse përgjigja e saktë merret në 99 raste, atëherë probabiliteti i një gabimi në llogaritje do të jetë 1%. Zakonisht parashikimet e sakta merren me një probabilitet prej 98-99% kur numri i atomeve në një qelizë njësi është 40 copë.

Algoritmi evolucionar USPEX ka çuar në shumë zbulime interesante dhe madje edhe në zhvillimin e një forme të re dozimi të një produkti mjekësor, i cili do të diskutohet më poshtë. Pyes veten se çfarë do të ndodhë kur të shfaqen superkompjuterët e gjeneratës së re? A do të ndryshojë rrënjësisht algoritmi për parashikimin e strukturave kristalore? Për shembull, disa shkencëtarë janë të angazhuar në zhvillimin e kompjuterëve kuantikë. Në të ardhmen, ato do të jenë shumë më efikase se ato moderne më të avancuara. Sipas Artem Oganov, algoritmet evolucionare do të ruajnë pozicionin e tyre drejtues, por do të fillojnë të punojnë më shpejt.

Fushat e punës së laboratorit: nga termoelektrike te barnat

USPEX doli të ishte një algoritëm jo vetëm efektiv, por edhe shumëfunksional. Për momentin, nën udhëheqjen e Artem Oganov, po kryhet shumë punë shkencore në fusha të ndryshme. Disa nga projektet më të fundit janë përpjekje për të modeluar materiale të reja termoelektrike dhe për të parashikuar strukturën e proteinave.

“Ne kemi disa projekte, një prej tyre është studimi i materialeve me dimensione të ulëta si nanogrimcat, sipërfaqet materiale, Tjetra është studimi i kimikateve nën presion të lartë. Ekziston një projekt tjetër interesant që lidhet me parashikimin e materialeve të reja termoelektrike. Tani ne e dimë tashmë se përshtatja e metodës së parashikimit të strukturës kristalore që kemi dalë për problemet e termoelektrikës funksionon në mënyrë efektive. Për momentin, ne jemi tashmë gati për një përparim të madh, rezultati i të cilit duhet të jetë zbulimi i materialeve të reja termoelektrike. Tashmë është e qartë se metoda që kemi krijuar për termoelektrikën është shumë e fuqishme, testet e kryera janë të suksesshme. Dhe ne jemi plotësisht të përgatitur për të kërkuar materiale realisht të reja. Ne jemi gjithashtu të angazhuar në parashikimin dhe studimin e superpërçuesve të rinj me temperaturë të lartë. Ne i bëjmë vetes pyetjen e parashikimit të strukturës së proteinave. Kjo është një sfidë e re për ne dhe shumë interesante.”

Është interesante që USPEX tashmë ka përfituar edhe mjekësinë: “Për më tepër, ne jemi duke zhvilluar ilaçe të reja. Në veçanti, ne parashikuam, morëm dhe patentuam një ilaç të ri,- thotë A.R. Oganov. - Është hidrat 4-aminopiridine, një ilaç për sklerozën e shumëfishtë..

Bëhet fjalë për një ilaç të patentuar së fundmi nga Valery Roizen (Fig. 4), Anastasia Naumova dhe Artem Oganov, anëtar i Laboratorit për Dizajn të Materialeve Kompjuterike, i cili lejon trajtimin simptomatik të sklerozës së shumëfishtë. Patenta është e hapur, gjë që do të ndihmojë në uljen e çmimit të ilaçit. Skleroza e shumëfishtë është një sëmundje kronike autoimune, domethënë një nga ato patologji kur vetë sistemi imunitar i bujtësit e dëmton bujtësin. Kjo dëmton mbështjellësin e mielinës së fibrave nervore, i cili normalisht kryen një funksion izolues elektrik. Është shumë e rëndësishme për funksionimin normal të neuroneve: rryma përmes daljeve të qelizave nervore të mbuluara me mielinë kryhet 5-10 herë më shpejt sesa përmes atyre të pambuluara. Sepse skleroza e shumëfishtë çon në përçarje të sistemit nervor.

Shkaqet themelore të sklerozës së shumëfishtë mbeten të paqarta. Shumë laboratorë në mbarë botën po përpiqen t'i kuptojnë ato. Në Rusi, kjo bëhet nga laboratori i biokatalizës në Institutin e Kimisë Bioorganike.

Figura 4. Valery Roizen - një nga autorët e një patente për një ilaç për sklerozën e shumëfishtë, punonjës i laboratorit të projektimit të materialeve me ndihmën e kompjuterit, duke zhvilluar forma të reja dozimi të ilaçeve dhe i angazhuar në mënyrë aktive në popullarizimin e shkencës.

Video 3. Leksion i njohur i shkencës nga Valery Roizen "Kristale të shijshme". Do të mësoni për parimet se si funksionojnë drogat, rëndësinë e formës së shpërndarjes së drogës në trupin e njeriut dhe vëllain e keq binjak të aspirinës.

Më parë, 4-aminopiridina ishte përdorur tashmë në klinikë, por shkencëtarët arritën të përmirësonin përthithjen e këtij ilaçi në gjak duke ndryshuar përbërjen kimike. Ata morën një hidrat kristalor 4-aminopiridine (Fig. 5) me një stoikiometri 1:5. Në këtë formë, vetë ilaçi dhe mënyra e marrjes së tij u patentuan. Substanca përmirëson lirimin e neurotransmetuesve në sinapset neuromuskulare, gjë që e bën më të lehtë për pacientët me sklerozë të shumëfishtë të ndihen më mirë. Vlen të theksohet se ky mekanizëm përfshin trajtimin e simptomave, por jo vetë sëmundjen. Përveç biodisponueshmërisë, pika themelore në zhvillimin e ri është si vijon: meqenëse ishte e mundur të "përfundohej" 4-aminopiridina në një kristal, ajo është bërë më e përshtatshme për përdorim në mjekësi. Substancat kristalore janë relativisht të lehta për t'u marrë në një formë të pastruar dhe homogjene, dhe liria e drogës nga papastërtitë potencialisht të dëmshme është një nga kriteret kryesore për një ilaç të mirë.

Zbulimi i strukturave të reja kimike

Siç u përmend më lart, USPEX ju lejon të gjeni struktura të reja kimike. Rezulton se edhe karboni "i zakonshëm" ka misteret e veta. Karboni është një element kimik shumë interesant sepse formon një gamë të gjerë strukturash që variojnë nga dielektrikët super të fortë deri te gjysmëpërçuesit e butë dhe madje edhe superpërçuesit. Të parat përfshijnë diamant dhe lonsdaleite, të dytin - grafit, dhe të tretin - disa fullerene në temperatura të ulëta. Pavarësisht nga shumëllojshmëria e gjerë e formave të njohura të karbonit, shkencëtarët e udhëhequr nga Artem Oganov arritën të zbulojnë një strukturë thelbësisht të re: nuk dihej më parë që karboni mund të formojë komplekse mysafir-pritës (Fig. 6). Në punë morën pjesë edhe punonjës të laboratorit të projektimit të materialeve me kompjuter (Fig. 7).

Figura 7. Oleg Feya, doktorant në MIPT, punonjës i Laboratorit të Projektimit Kompjuterik të Materialeve dhe një nga autorët e zbulimit të një strukture të re karboni. Në kohën e tij të lirë, Oleg është i angazhuar në popullarizimin e shkencës: artikujt e tij mund të lexohen në botimet Cat Schrödinger's, For Science, STRF.ru, Rosatom Country. Për më tepër, Oleg është fituesi i Moskës përplasje shkencore dhe pjesëmarrëse në emisionin “Më i zgjuari”.

Ndërveprimi "mysafir-host" manifestohet, për shembull, në komplekse të përbëra nga molekula që janë të lidhura me njëra-tjetrën me lidhje jo kovalente. Kjo do të thotë, një atom / molekulë e caktuar zë një vend të caktuar në rrjetën kristalore, por nuk formon një lidhje kovalente me përbërjet përreth. Kjo sjellje është e përhapur në mesin e molekulave biologjike që lidhen me njëra-tjetrën për të formuar komplekse të forta dhe të mëdha që kryejnë funksione të ndryshme në trupin tonë. Në përgjithësi nënkuptojmë komponime që përbëhen nga dy lloje elementësh strukturorë. Për substancat e formuara vetëm nga karboni, forma të tilla nuk njiheshin. Shkencëtarët publikuan zbulimin e tyre në vitin 2014, duke zgjeruar njohuritë tona për vetitë dhe sjelljen e grupit të 14-të të elementeve kimike në tërësi (Fig. 8) Vlen të theksohet se në formën e hapur të karbonit krijohen lidhje kovalente midis atomeve. Ne po flasim për llojin mysafir-host për shkak të pranisë së dy llojeve të atomeve të karbonit të përcaktuara qartë, të cilët kanë mjedise strukturore krejtësisht të ndryshme.

Kimi e re me presion të lartë

Në laboratorin e projektimit të materialeve me ndihmën e kompjuterit, ata studiojnë se cilat substanca do të jenë të qëndrueshme në presione të larta. Ja se si shefi i laboratorit argumenton interesin për një hulumtim të tillë: “Ne po studiojmë materialet nën presion të lartë, veçanërisht kiminë e re që shfaqet në kushte të tilla. Kjo është një kimi shumë e pazakontë që nuk përshtatet me rregullat e tradicionales. Njohuritë e marra rreth komponimeve të reja do të çojnë në një kuptim të asaj që po ndodh brenda planetëve. Sepse këto kimikate të pazakonta mund të provojnë të jenë materiale shumë të rëndësishme në brendësi të planetit.”Është e vështirë të parashikohet se si sillen substancat nën presion të lartë: shumica e rregullave kimike ndalojnë së punuari, sepse këto kushte janë shumë të ndryshme nga ato me të cilat jemi mësuar. Megjithatë, kjo duhet kuptuar nëse duam të dimë se si funksionon Universi. Pjesa e luanit e materies barionike të Universit është nën presion të lartë brenda planetëve, yjeve, satelitëve. Çuditërisht, dihet shumë pak për kiminë e tij.

Kimia e re, e cila zbatohet me presion të lartë në laboratorin e projektimit të materialeve me ndihmën e kompjuterit në MIPT, po studiohet nga Gabriele Saleh, një PhD (diplomë e ngjashme me një Ph.D.):

“Unë jam kimist dhe jam i interesuar për kiminë në presione të larta. Pse? Sepse ne kemi rregulla të kimisë që janë formuluar 100 vjet më parë, por së fundmi rezultoi se ato ndalojnë së punuari në presione të larta. Dhe është shumë interesante! Është si një park argëtimi: ka një fenomen që askush nuk mund ta shpjegojë; të eksplorosh një fenomen të ri dhe të përpiqesh të kuptosh pse ndodh është shumë interesante. E nisëm bisedën me gjëra themelore. Por presione të larta ekzistojnë edhe në botën reale. Sigurisht, jo në këtë dhomë, por brenda Tokës dhe në planetë të tjerë. .

Meqenëse jam kimist, më intereson kimia me presion të lartë. Pse? Sepse ne kemi rregulla kimike të cilat janë vendosur njëqind vjet më parë, por kohët e fundit u zbulua se këto rregulla thyhen në presion të lartë. Dhe është shumë interesante! Ky është si loonopark sepse ke një fenomen, të cilin askush nuk mund ta arsyetojë. Është interesante të studiosh fenomenin e ri dhe të përpiqesh të kuptosh pse ndodh. E nisëm nga pikëpamja themelore. Por këto presione të larta ekzistojnë. Sigurisht, jo në këtë dhomë, por në brendësi të Tokës dhe në planetë të tjerë.

Figura 9. Acidi karbonik (H 2 CO 3) është një strukturë e qëndrueshme në presion. Futet në krye tregoi se së bashku boshti C formohen struktura polimer. Studimi i sistemit karbon-oksigjen-hidrogjen nën presione të larta është shumë i rëndësishëm për të kuptuar se si janë rregulluar planetët. H 2 O (uji) dhe CH 4 (metani) janë përbërësit kryesorë të disa planetëve gjigantë - për shembull Neptuni dhe Urani, ku presioni mund të arrijë qindra GPa. Satelitët e mëdhenj të akullt (Ganymede, Callisto, Titan) dhe kometat përmbajnë gjithashtu ujë, metan dhe dioksid karboni, të cilët i nënshtrohen presionit deri në disa GPa.

Gabriele na tregoi për punën e tij të re, e cila së fundmi u pranua për botim:

“Ndonjëherë bën shkencën bazë, por më pas gjen një zbatim të drejtpërdrejtë të njohurive të marra. Për shembull, kohët e fundit kemi dorëzuar një artikull për botim që përshkruan rezultatet e një kërkimi për të gjitha përbërjet e qëndrueshme të prodhuara nga karboni, hidrogjeni dhe oksigjeni në presion të lartë. Ne kemi gjetur një që është i qëndrueshëm në presione shumë të ulëta si p.sh. 1 GPa. , dhe doli të ishte acid karbonik H 2 CO 3(Fig. 9). Studiova literaturën mbi astrofizikën dhe zbulova se hënat e Ganymedit dhe Callisto [hënat e Jupiterit] përbëhen nga uji dhe dioksidi i karbonit: molekula që formojnë acidin karbonik. Kështu kuptuam se zbulimi ynë sugjeron formimin e acidit karbonik atje. Kjo është ajo për të cilën po flisja: gjithçka filloi me shkencën bazë dhe përfundoi me diçka të rëndësishme për studimin e satelitëve dhe planetëve. .

Vini re se presione të tilla rezultojnë të jenë të ulëta në krahasim me ato që në parim mund të gjenden në Univers, por të larta në krahasim me ato që veprojnë mbi ne afër sipërfaqes së Tokës.

Kështu që ndonjëherë ju studioni diçka për shkencën themelore, por më pas zbuloni se ka një aplikim të drejtë. Për shembull, ne sapo kemi dorëzuar një letër në të cilën kemi marrë karbon, hidrogjen, oksigjen në presion të lartë dhe jemi përpjekur të kërkojmë të gjitha përbërjet e qëndrueshme. Ne gjetëm një që ishte acid karbonik dhe ishte i qëndrueshëm në një presion shumë të ulët si një gigapaskal. Unë hetova literaturën e astrofizikës dhe zbulova: ka satelitë të tillë si Ganymede ose Calisto. Mbi to ka dioksid karboni dhe ujë. Molekulat që formojnë këtë acid karbonik. Pra, ne kuptuam se ky zbulim do të thotë se ndoshta do të kishte acid karbonik. Kjo është ajo që dua të them me fillimin për themelimin dhe zbulimin e diçkaje që është e zbatueshme për shkencën planetare.

Një shembull tjetër i kimisë së pazakontë që mund të jepet ka të bëjë me kripën e njohur të tryezës, NaCl. Rezulton se nëse mund ta ushtrosh presionin e kripes në 350 GPa, do të marrësh komponime të reja. Në vitin 2013, nën udhëheqjen e A.R. Oganov, u tregua se nëse presioni i lartë aplikohet në NaCl, atëherë përbërjet e pazakonta bëhen të qëndrueshme - për shembull, NaCl 7 (Fig. 10) dhe Na 3 Cl. Është interesante se shumë nga substancat e zbuluara janë metale. Gabriele Saleh dhe Artem Oganov vazhduan punën pioniere në të cilën ata treguan sjelljen ekzotike të klorureve të natriumit nën presion të lartë dhe zhvilluan një model teorik që mund të përdoret për të parashikuar vetitë e përbërjeve të metaleve alkali me halogjenet.

Ata përshkruan rregullat që këto substanca u binden në kushte kaq të pazakonta. Duke përdorur algoritmin USPEX, disa komponime me formulën A 3 Y (A = Li, Na, K; Y = F, Cl, Br) iu nënshtruan teorikisht presioneve deri në 350 GPa. Kjo çoi në zbulimin e joneve të klorurit në gjendje të oksiduar -2. Kimia "standarde" e ndalon këtë. Në kushte të tilla, substanca të reja mund të formohen, për shembull, me formulën kimike Na 4 Cl 3.

Figura 10. Struktura kristalore e kripës së zakonshme NaCl ( majtas) dhe komponimi i pazakontë NaCl 7 ( në të djathtë), e qëndrueshme nën presion.

Kimia ka nevojë për rregulla të reja

Gabriele Saleh (Fig. 11) foli për kërkimin e tij që synon përshkrimin e rregullave të reja të kimisë që do të kishin fuqi parashikuese jo vetëm në kushte standarde, por do të përshkruanin sjelljen dhe vetitë e substancave nën presion të lartë (Fig. 12).

Figura 11. Gabriele Saleh

“Dy ose tre vjet më parë, profesor Oganov zbuloi se një kripë kaq e thjeshtë si NaCl nuk është aq e thjeshtë nën presion të lartë: natriumi dhe klori gjithashtu mund të formojnë komponime të tjera. Por askush nuk e dinte pse. Shkencëtarët bënë llogaritje, morën rezultate, por mbeti e panjohur pse gjithçka ndodh në këtë mënyrë dhe jo ndryshe. Unë kam studiuar lidhjen kimike që nga shkolla pasuniversitare dhe gjatë kërkimit tim, arrita të formuloja disa rregulla që shpjegojnë logjikisht atë që po ndodh. Kam studiuar se si elektronet sillen në këto komponime dhe dola me modele të përgjithshme që janë karakteristike për to nën presion të lartë. Për të provuar nëse këto rregulla janë një pjellë e imagjinatës sime apo janë ende objektivisht të vërteta, unë parashikova strukturat e komponimeve të ngjashme - LiBr ose NaBr, dhe disa të tjera të ngjashme. Në fakt, zbatohen rregullat e përgjithshme. Shkurtimisht, kam parë që ka një tendencë që kur ushtroni presion në lidhje të tilla, ato formojnë një strukturë metalike dydimensionale dhe më pas njëdimensionale. Pastaj, nën presion shumë të lartë, gjërat më të egra fillojnë të ndodhin sepse klori do të kishte një gjendje oksidimi prej -2. Të gjithë kimistët e dinë që klori ka një gjendje oksidimi prej -1, ky është një shembull tipik i tekstit: natriumi humbet një elektron dhe klori e merr atë. Prandaj, numrat e oksidimit janë përkatësisht +1 dhe −1. Por nën presion të lartë, gjërat nuk funksionojnë në atë mënyrë. Këtë e kemi treguar me ndihmën e disa qasjeve për analizën e lidhjeve kimike. Gjithashtu gjatë punës, kërkova literaturë të veçantë për të kuptuar nëse dikush kishte vërejtur tashmë modele të tilla. Dhe doli që po, ata e bënë. Nëse nuk gabohem, bismutat natriumi dhe disa përbërës të tjerë u binden rregullave të përshkruara. Sigurisht, ky është vetëm fillimi. Kur të publikohen punimet e ardhshme mbi këtë temë, do të zbulojmë nëse modeli ynë ka fuqi reale parashikuese. Sepse kjo është pikërisht ajo që ne po kërkojmë. Ne duam të përshkruajmë ligjet kimike që do të qëndrojnë edhe në presione të larta.” .

Dy ose tre vjet më parë profesori Oganov zbuloi se kripa e thjeshtë NaCl në presion të lartë nuk është shumë e thjeshtë dhe do të formohen komponime të tjera. Por askush nuk e di pse. Ata bënë një llogaritje se i morën rezultatet, por nuk mund të thuash pse po ndodh kjo. Pra, duke qenë se gjatë doktoraturës sime specializova në studimin e lidhjeve kimike, i hetoj këto komponime dhe gjej disa rregulla për të racionalizuar atë që po ndodh. Unë se si hetojnë elektronet sillen në këtë përbërje dhe dola me disa rregulla që këto lloj komponimesh do të ndjekin në presion të lartë. Për të kontrolluar nëse rregullat e mia ishin thjesht imagjinata ime apo ishin të vërteta, unë parashikova struktura të reja të përbërjeve të ngjashme. Për shembull LiBr ose NaBr dhe disa kombinime si ky. Dhe po, këto rregulla rezultojnë të zbatohen. Me pak fjalë, për të mos qenë shumë specialist, kam parë që ka një tendencë: kur i ngjesh ato do të formonin metale dydimensionale, pastaj strukturë njëdimensionale të metalit. Dhe pastaj në presion shumë të lartë do të ndodhte diçka më e egër sepse Cl në këtë rast do të ketë numrin e oksidimit prej -2. Të gjithë kimistët e dinë se numri më i ulët i oksidimit të Cl është -1, që është shembull tipik i tekstit shkollor: natriumi humbet elektron dhe klori e merr atë. Pra, kemi numrat e oksidimit +1 dhe −1. Por në një presion shumë të lartë nuk është më e vërtetë. Ne e demonstruam këtë me disa qasje për analizën e lidhjeve kimike. Në atë punë gjithashtu u përpoqa të shikoja literaturën nëse dikush ka parë këtë lloj rregullash më parë. Dhe po, doli që kishte disa. Nëse nuk gabohem, Na-Bi dhe komponimet e tjera rezultuan të ndiqnin këto rregulla. Është vetëm një pikënisje, sigurisht. Do të dalin letrat e tjera dhe do të shohim nëse ky model ka një fuqi reale parashikuese. Sepse kjo është ajo që ne po kërkojmë. Ne duam të skicojmë kiminë e cila do të funksionojë edhe për presionin e lartë.

Figura 12. Struktura e një lënde me formulë kimike Na 4 Cl 3, e cila formohet në një presion prej 125-170 GPa., e cila tregon qartë shfaqjen e kimisë "të çuditshme" nën presion.

Nëse eksperimentoni, atëherë në mënyrë selektive

Pavarësisht se algoritmi USPEX ka fuqi të madhe parashikuese brenda detyrave të tij, teoria kërkon gjithmonë verifikim eksperimental. Laboratori i Dizajnit të Materialeve Kompjuterike është teorik, siç nënkupton edhe emri i tij. Prandaj, eksperimentet kryhen në bashkëpunim me ekipe të tjera shkencore. Gabriele Saleh komenton strategjinë e kërkimit të miratuar në laborator si më poshtë:

"Ne nuk bëjmë eksperimente - ne jemi teoricienë. Por shpesh ne bashkëpunojmë me njerëz që e bëjnë këtë. Në fakt, mendoj se është përgjithësisht e vështirë. Sot, shkenca është shumë e specializuar, kështu që nuk është e lehtë të gjesh dikë që i bën të dyja.” .

Ne nuk bëjmë eksperimente, por shpesh bashkëpunojmë me disa njerëz që bëjnë eksperimente. Në fakt mendoj se në fakt është e vështirë. Në ditët e sotme shkenca është shumë e specializuar, kështu që është e vështirë të gjesh dikë që i bën të dyja.

Një nga shembujt më të qartë është parashikimi i natriumit transparent. Në vitin 2009 në revistë Natyra u publikuan rezultatet e punës së kryer nën drejtimin e Artem Oganov. Në artikull, shkencëtarët përshkruan një formë të re të Na, në të cilën është një jometal transparent, duke u bërë një dielektrik nën presion. Pse ndodh? Kjo është për shkak të sjelljes së elektroneve të valencës: nën presion, ato nxirren jashtë në zbrazëtirat e rrjetës kristalore të formuar nga atomet e natriumit (Fig. 13). Në këtë rast, vetitë metalike të substancës zhduken dhe shfaqen cilësitë e dielektrikut. Një presion prej 2 milion atmosferash e bën natriumin të kuq, dhe 3 milion atmosfera e bën atë të pangjyrë.

Figura 13. Natriumi nën presion mbi 3 milionë atmosfera. në blu tregon strukturën kristalore të atomeve të natriumit, portokalli- tufa elektronesh valente në zbrazëtitë e strukturës.

Pak besonin se metali klasik mund të shfaqte një sjellje të tillë. Megjithatë, në bashkëpunim me fizikanin Mikhail Yeremets, u morën të dhëna eksperimentale që konfirmuan plotësisht parashikimin (Fig. 14).

Figura 14. Fotografitë e një kampioni Na të marra me një kombinim të ndriçimit të transmetuar dhe të reflektuar. Në kampion u aplikuan presione të ndryshme: 199 GPa (faza transparente), 156 GPa, 124 GPa dhe 120 GPa.

Duhet të punosh me zjarr!

Artem Oganov na tha se çfarë kërkesash u vendos punonjësve të tij:

“Së pari, ata duhet të kenë një arsim të mirë. Së dyti, ji punëtor. Nëse një person është dembel, atëherë nuk do ta punësoj, dhe nëse papritmas e punësoj gabimisht, ai do të dëbohet. Thjesht pushova disa punonjës që dolën dembelë, inertë, amorfë. Dhe mendoj se kjo është absolutisht e drejtë dhe e mirë edhe për vetë personin. Sepse nëse njeriu nuk është në vendin e tij, ai nuk do të jetë i lumtur. Ai duhet të shkojë atje ku do të punojë me një vezullim, me entuziazëm, me kënaqësi. Dhe kjo është e mirë për laboratorin dhe mirë për personin. Dhe ata djem që punojnë vërtet bukur, me një vezullim, ne paguajmë një rrogë të mirë, ata shkojnë në konferenca, ata shkruajnë artikuj që botohen më pas në revistat më të mira botërore, gjithçka do të jetë mirë me ta. Sepse janë në vendin e duhur dhe sepse laboratori ka burime të mira për t'i mbështetur. Kjo do të thotë, djemtë nuk kanë nevojë të mendojnë për të fituar para për të mbijetuar. Ata mund të përqendrohen në shkencë, në biznesin e tyre të preferuar dhe ta bëjnë atë me sukses. Tani kemi disa grante të reja dhe kjo na hap mundësinë për të punësuar disa njerëz të tjerë. Ka konkurrencë gjatë gjithë kohës. Njerëzit aplikojnë gjatë gjithë vitit, por sigurisht, unë nuk i pranoj të gjithë.”. (2016). 4-Aminopyridine kristalinhidrat, metoda e përgatitjes së tij, përbërja farmaceutike dhe metoda e trajtimit dhe/ose parandalimit të bazuar në të. fiz. Kimik. Kimik. fiz. 18 , 2840–2849;

Ma Y., Eremets M., Oganov A.R., Xie Y., Trojan I., Medvedev S. et al. (2009). Natriumi i dendur transparent. Natyra. 458 , 182–185;

Lyakhov A.O., Oganov A.R., Stokes H.T., Zhu Q. (2013). Zhvillime të reja në algoritmin e parashikimit të strukturës evolucionare USPEX. Kompjuter. fiz. komune. 184 , 1172–1182.