집 보일러 아르템 오가노프. 신소재의 컴퓨터 디자인: 꿈인가 현실인가? 신소재의 컴퓨터 디자인

아르템 오가노프. 신소재의 컴퓨터 디자인: 꿈인가 현실인가? 신소재의 컴퓨터 디자인

뉴욕주립대 교수, 모스크바국립대 겸임교수, 계림대 명예교수의 강의 원문을 출판합니다.아르템 오가노프 8 2012년 9월 야외도서전 "공개강연 "Polit.ru" 시리즈의 일환으로북마켓 뮤제온 예술공원에 있어요.

"공개 강연 "Polit.ru""는 다음의 지원을 받아 개최됩니다:

강의 내용

초대해주신 이번 페스티벌의 주최측과 Polit.ru에게 매우 감사드립니다. 제가 이 강의를 하게 된 것을 영광으로 생각합니다. 나는 당신이 그것을 흥미롭게 느끼기를 바랍니다.

강의는 우리의 미래와 직접적인 관련이 있습니다. 왜냐하면 우리의 미래는 새로운 기술, 삶의 질과 관련된 기술 없이는 불가능하기 때문입니다. 여기 iPad가 있고 여기에 프로젝터, 모든 전자 제품, 에너지 절약 기술, 다음과 같은 데 사용되는 기술이 있습니다. 환경을 청소하고 의학에 사용되는 기술 등 - 이 모든 것은 신소재에 크게 좌우되며 신기술에는 신소재, 독특하고 특별한 특성을 가진 소재가 필요합니다. 그리고 이러한 새로운 물질이 실험실이 아닌 컴퓨터에서 어떻게 개발될 수 있는지에 대한 이야기도 들려줄 것입니다.

강의 제목은 "신소재의 컴퓨터 디자인: 꿈인가 현실인가?"입니다. 이것이 완전히 꿈이라면 강의는 의미가 없을 것입니다. 꿈은 원칙적으로 현실의 영역이 아닌 것입니다. 반면에 이것이 이미 완전히 구현되었다면 강의도 의미가 없을 것입니다. 이론적 계산 방법을 포함한 새로운 유형의 방법론이 이미 완전히 개발되면 과학 범주에서 산업 범주로 이동하기 때문입니다. 일상적인 작업. 사실, 이 분야는 완전히 새로운 분야입니다. 새로운 재료의 컴퓨터 설계는 꿈(불가능한 것, 여가 시간에 꿈꾸는 것)과 현실 사이의 중간쯤에 있습니다. 이것은 아직 완전히 완성된 영역이 아닙니다. 현재 개발이 진행되고 있는 지역입니다. 그리고 이 분야에서는 가까운 미래에 새로운 재료를 발견하는 전통적인 방법인 실험실 방법에서 벗어나 컴퓨터를 이용한 재료 설계를 시작할 수 있게 될 것이며, 이는 더 저렴하고 빠르며 여러 면에서 훨씬 더 신뢰할 수 있을 것입니다. 하지만 어떻게 해야 하는지 알려드리겠습니다. 이는 물질의 구조가 그 특성을 결정하기 때문에 물질의 구조를 예측하는 예측 문제와 직접적으로 관련됩니다. 동일한 물질, 즉 탄소의 다른 구조에 따라 초경질 다이아몬드와 초연질 흑연이 결정됩니다. 이 경우 구조가 전부입니다. 물질의 구조.

전반적으로 올해 우리는 물질의 구조를 발견할 수 있게 한 최초의 실험 100주년을 기념하고 있습니다. 아주 오랫동안, 사람들은 고대부터 물질이 원자로 구성되어 있다는 가설을 세워왔습니다. 이에 대한 언급은 예를 들어 성경, 다양한 인도 서사시에서 찾을 수 있으며 이에 대한 매우 자세한 언급은 Democritus와 Lucretius Cara에서 볼 수 있습니다. 그리고 물질이 어떻게 구성되어 있는지, 이 물질이 어떻게 이러한 개별 입자, 원자로 구성되어 있는지에 대한 첫 번째 언급은 위대한 수학자이자 천문학자, 심지어 점성가인 요하네스 케플러의 것입니다. 당시 점성술은 불행히도 여전히 과학으로 간주되었습니다. 케플러는 눈송이의 육각형 모양을 설명하는 최초의 그림을 그렸고, 케플러가 제시한 얼음의 구조는 현실과는 다르지만 여러 면에서 유사하다. 그러나 그럼에도 불구하고 물질의 원자 구조에 관한 가설은 20세기까지 가설로 남아 있었고, 이 가설이 처음으로 과학적으로 입증되기까지 100년이 걸렸습니다. 그것은 17세기 중반에 탄생한 비교적 새로운 과학인 결정학의 도움으로 입증되었습니다. 1669년은 결정학의 공식 탄생일이며 훌륭한 덴마크 과학자 니콜라스 스테논(Nicholas Stenon)에 의해 창안되었습니다. . 실제로 그의 이름은 Niels Stensen이었고 덴마크 사람이었고 라틴어 이름은 Nicholas Stenon이었습니다. 그는 결정학뿐만 아니라 다양한 과학 분야를 창시했으며 결정학의 제1법칙을 공식화했습니다. 그 이후로 결정학은 가속되는 궤적을 따라 발전하기 시작했습니다.

Nikolai Stenon은 독특한 전기를 가지고 있습니다. 그는 여러 과학의 창시자가 되었을 뿐만 아니라 가톨릭 교회에 의해 시성되기도 했습니다. 독일의 가장 위대한 시인 괴테도 결정학자였습니다. 그리고 괴테는 결정학이 비생산적이며 그 자체로 존재하며 일반적으로 이 과학은 완전히 쓸모가 없으며 왜 필요한지 명확하지 않지만 퍼즐로서 매우 흥미롭고 이로 인해 매우 똑똑하다는 인용문을 가지고 있습니다. 사람들. 이것은 괴테가 바덴 휴양지 어딘가에서 부유하고 게으른 여성들에게 한 대중 과학 강의에서 말한 내용입니다. 그런데 괴테의 이름을 딴 광물, 괴타이트(goethite)가 있습니다. 그 당시 결정학은 실제로 일종의 수학적 가식과 퍼즐 수준에서 실제로 다소 쓸모없는 과학이었다고 말해야 합니다. 그러나 시간이 흐르고 100년 전 결정학은 그 자체로 그러한 과학의 범주에서 등장하여 매우 유용한 과학이 되었습니다. 이것은 큰 비극으로 이어졌습니다.

반복합니다. 물질의 원자 구조는 1912년까지 가설로 남아 있었습니다. 오스트리아의 위대한 물리학자 루트비히 볼츠만(Ludwig Boltzmann)은 물질의 원자성에 관한 이 가설에 모든 과학적 주장의 기초를 두었고 많은 반대자들로부터 "어떻게 입증되지 않은 가설을 바탕으로 모든 이론을 세울 수 있습니까?"라고 심하게 비난했습니다. 이러한 비난과 건강 악화로 인해 루트비히 볼츠만은 1906년에 자살했습니다. 그는 가족과 함께 이탈리아로 휴가를 떠나던 중 목을 매어 자살했다. 불과 6년 후, 물질의 원자 구조가 입증되었습니다. 그러므로 그가 조금만 더 인내했더라면 그는 모든 적들을 이겼을 것입니다. 인내는 때로 지능보다 더 많은 것을 의미하며, 인내는 심지어 천재보다 더 많은 것을 의미합니다. 그렇다면 이것은 어떤 종류의 실험이었습니까? 이러한 실험은 Max von Laue, 더 정확하게는 그의 대학원생이 수행했습니다. Max von Laue는 그러한 실험을 직접 수행하지 않았지만 아이디어는 그의 것이었습니다. 물질이 실제로 원자로 구성되어 있다면, 케플러가 가정한 것처럼 원자가 주기적이고 규칙적인 방식으로 결정으로 구성되어 있다면 흥미로운 현상이 관찰되어야 한다는 생각이었습니다. 얼마 전 엑스레이가 발견되었습니다. 그 당시 물리학자들은 방사선의 파장이 주기성 길이, 즉 물체(이 경우 결정)의 특징적인 길이와 비슷하다면 회절 현상이 관찰되어야 한다는 것을 이미 잘 이해하고 있었습니다. 즉, 광선은 엄격하게 직선으로 이동할 뿐만 아니라 매우 엄격하게 정의된 각도에서도 벗어납니다. 따라서 매우 특별한 X선 회절 패턴이 결정에서 관찰되어야 합니다. X선의 파장은 원자의 크기와 유사해야 한다는 것이 알려져 있었으며, 원자가 존재한다면 원자의 크기를 추정하는 것이 필요했습니다. 따라서 물질의 구조에 대한 원자가설이 맞다면 결정에서 나오는 X선의 회절을 관찰해야 한다. 확인하는 것보다 쉬운 일은 무엇일까요?

간단한 아이디어, 간단한 실험이 1년 남짓한 시간 동안, 라우에노벨 물리학상을 받았습니다. 그리고 우리는 이 실험을 시도해 볼 수 있습니다. 하지만 안타깝게도 이제 모든 사람이 이 실험을 관찰하기에는 너무 가벼워졌습니다. 하지만 한 명의 증인과 함께 시도해 볼 수 있을까요? 누가 여기 와서 이 실험을 관찰할 수 있겠습니까?

바라보다. 여기 레이저 포인터가 있습니다. 우리가 그것을 비추면 여기서 무슨 일이 일어날까요? 우리는 엑스레이를 사용하지 않고 광학 레이저를 사용합니다. 그리고 이것은 결정의 구조가 아니라 10,000배로 부풀려진 이미지입니다. 그러나 레이저 파장은 X선 방사선의 파장보다 10,000배 더 크므로 회절 조건이 다시 충족됩니다. 파장은 결정격자의 주기와 비슷하다. 규칙적인 구조가 없는 물체, 즉 액체를 살펴보겠습니다. 여기 올렉, 이 사진을 들고 레이저를 비추면 가까이 다가가면 사진이 작아질 겁니다. 투영할 수 없기 때문입니다... 보세요, 여기 고리가 보입니다. 내부에는 직접 통과하는 지점이 있습니다. 빔. 그러나 고리는 액체의 무질서한 구조로부터 회절된 것입니다. 우리 앞에 수정이 있다면 그림은 완전히 달라질 것입니다. 보시다시피 엄격하게 정의된 각도에서 벗어나는 광선이 많이 있습니다.

올렉 (자원봉사자):아마도 원자가 더 많기 때문일 것입니다.

아르템 오가노프:아니요, 원자가 엄격하게 정의된 방식으로 배열되어 있기 때문에 이러한 회절 사진을 관찰할 수 있습니다. 이 그림은 매우 대칭적이며 이것이 중요합니다. 100년 전에 노벨상을 받을 수 있었던 훌륭한 실험을 한 올렉에게 박수를 보내주세요.

그리고 다음 해에 아버지와 아들 Braggy는 회절 이미지를 해독하고 그로부터 결정 구조를 결정하는 방법을 배웠습니다. 최초의 구조는 매우 단순했지만, 이제는 1985년에 노벨상을 수상한 최신 방법론 덕분에 실험을 기반으로 매우 복잡한 구조를 해독하는 것이 가능해졌습니다. 이것이 나와 올렉이 재현한 실험이다. 여기에 초기 구조가 있고 여기에 벤젠 분자가 있습니다. 이것이 Oleg가 관찰한 회절 패턴입니다. 이제 실험의 도움으로 매우 복잡한 구조, 특히 준결정의 구조를 해독하는 것이 가능하며, 작년에는 이 새로운 고체 상태인 준결정의 발견으로 노벨 화학상이 수여되었습니다. 이 분야는 얼마나 역동적이며, 우리 생애 동안 얼마나 근본적인 발견이 이루어지고 있습니까! 단백질과 기타 생물학적 활성 분자의 구조도 뛰어난 결정학 기술인 X선 회절을 사용하여 해독됩니다.

따라서 우리는 물질의 다양한 상태, 즉 질서 있는 결정질과 준결정질, 비정질(무질서한 고체 상태)은 물론 액체, 기체 및 다양한 폴리머 상태의 물질을 알고 있습니다. 물질의 구조를 알면 그 물질의 수많은 특성을 높은 수준의 신뢰성으로 예측할 수 있습니다. 페로브스카이트의 일종인 규산마그네슘의 구조는 다음과 같습니다. 원자의 대략적인 위치를 알면 예를 들어 탄성 상수와 같은 다소 어려운 속성을 예측할 수 있습니다. 이 속성은 많은 구성 요소가 있는 랭크 4 텐서로 설명되며, 원자의 위치. 그리고 이 물질은 매우 중요합니다. 지구 부피의 40%를 차지합니다. 이것은 지구상에서 가장 흔한 물질입니다. 그리고 원자의 배열만 알면 아주 깊은 곳에 존재하는 이 물질의 성질을 이해할 수 있습니다.

성질이 구조와 어떻게 연관되어 있는지, 신물질을 예측할 수 있도록 물질의 구조를 예측하는 방법, 이러한 방법을 사용해 어떤 일이 이루어졌는지에 대해 조금 이야기하고 싶습니다. 얼음은 왜 물보다 가볍나요? 우리 모두는 빙산이 뜨고 가라앉지 않는다는 것을 알고 있으며, 얼음은 항상 바닥이 아닌 강 표면에 있다는 것을 알고 있습니다. 무슨 일이야? 그것은 구조에 관한 것입니다. 이 얼음 구조를 보면 그 안에 큰 육각형 공극이 보일 것입니다. 얼음이 녹기 시작하면 물 분자가 이러한 육각형 공극을 막아 물의 밀도가 밀도보다 커집니다. 얼음의. 그리고 우리는 이 과정이 어떻게 일어나는지 보여줄 수 있습니다. 단편영화 보여드릴테니 잘 시청해 보세요. 녹는 것은 표면에서부터 시작됩니다. 이것이 실제로 일어나는 방식이지만 이것은 컴퓨터 계산입니다. 그러면 녹는 부분이 어떻게 안쪽으로 퍼지는지 볼 수 있을 것입니다... 분자가 움직이고, 어떻게 이러한 육각형 채널이 막히고 구조의 규칙성이 상실되는지 볼 수 있습니다.

얼음은 여러 가지 모양을 가지고 있으며, 매우 흥미로운 형태의 얼음은 얼음 구조의 빈 공간을 손님 분자로 채울 때 나타나는 얼음입니다. 그러나 구조 자체도 바뀔 것입니다. 나는 소위 가스 수화물 또는 포접물에 대해 이야기하고 있습니다. 게스트 분자나 원자가 있는 빈 공간이 있는 물 분자의 틀을 볼 수 있습니다. 게스트 분자는 메탄일 수 있습니다. 천연 가스일 수도 있고, 이산화탄소일 수도 있고, 크세논 원자일 수도 있으며, 이들 가스 수화물 각각은 흥미로운 역사를 가지고 있습니다. 사실 메탄 수화물 매장량에는 기존 가스전보다 2배 더 많은 천연 가스가 포함되어 있습니다. 이 유형의 퇴적물은 일반적으로 해저 대륙붕과 영구 동토층에 위치합니다. 문제는 사람들이 안전하고 비용 효율적으로 가스를 추출하는 방법을 아직 배우지 못했다는 것입니다. 이 문제가 해결된다면 인류는 에너지 위기를 잊을 수 있을 것이며 앞으로 몇 세기 동안 실질적으로 무한한 에너지원을 갖게 될 것입니다. 이산화탄소 수화물은 매우 흥미롭습니다. 이는 과도한 이산화탄소를 묻어두는 안전한 방법으로 사용될 수 있습니다. 낮은 압력으로 이산화탄소를 얼음 속으로 펌핑하여 해저에 버립니다. 이 얼음은 수천년 동안 아주 조용하게 그곳에 존재했습니다. 크세논 수화물은 60년 전 위대한 결정 화학자 리누스 폴링(Linus Pauling)이 제시한 가설인 크세논 마취에 대한 설명 역할을 했습니다. 사실은 사람이 낮은 압력에서 크세논을 흡입하도록 허용되면 통증을 느끼지 않게 된다는 것입니다. 그것은 외과 수술에서 마취를 위해 사용되었고 지금도 사용되는 것으로 보입니다. 왜?

낮은 압력에서 크세논은 물 분자와 화합물을 형성하여 인간의 신경계를 통한 전기 신호의 전파를 차단하는 가스 수화물을 형성합니다. 그리고 수술된 조직의 통증 신호는 단순히 근육에 도달하지 못합니다. 왜냐하면 크세논 수화물이 바로 이러한 구조로 형성되기 때문입니다. 이것은 최초의 가설이었고 아마도 진실은 조금 더 복잡할 수도 있지만 진실이 근처에 있다는 것은 의심의 여지가 없습니다. 이러한 다공성 물질에 관해 이야기할 때 우리는 소위 제올라이트라고 불리는 미세 다공성 규산염을 떠올리지 않을 수 없습니다. 이는 산업계에서 촉매 작용과 오일 분해 중 분자 분리에 매우 널리 사용됩니다. 예를 들어, 옥탄과 메조옥탄의 분자는 제올라이트에 의해 완벽하게 분리됩니다. 이들은 동일한 화학식이지만 분자의 구조는 약간 다릅니다. 그 중 하나는 길고 가늘고 두 번째는 짧고 두껍습니다. 그리고 얇은 것은 구조물의 공극을 통과하고, 두꺼운 것은 탈락되기 때문에 그러한 구조물, 그러한 물질을 분자체라고 합니다. 이러한 분자체는 물을 정화하는 데 사용됩니다. 특히 우리가 수도꼭지에서 마시는 물은 제올라이트의 도움을 포함하여 여러 번의 여과 과정을 거쳐야 합니다. 이러한 방식으로 다양한 화학 오염물질로 인한 오염을 제거할 수 있습니다. 화학적 오염물질은 때때로 매우 위험합니다. 역사는 중금속 중독이 어떻게 매우 슬픈 역사적 사례로 이어졌는지에 대한 사례를 알고 있습니다.

분명히 중국의 첫 번째 황제인 진시황과 이반 대제는 수은 중독의 희생자였으며 소위 모자장수병은 매우 잘 연구되었습니다. 18세기와 19세기 영국에서는 전 계층의 사람들이 모자 업계에서 일하던 그는 아주 일찍부터 미친 모자병이라는 신경 질환이라는 이상한 질병에 걸렸습니다. 그들의 말은 앞뒤가 맞지 않게 되었고, 행동은 무의미해졌으며, 팔다리는 걷잡을 수 없이 떨리고, 치매와 광기에 빠졌습니다. 그들의 몸은 수은염 용액에 모자를 담가두었기 때문에 지속적으로 수은과 접촉했는데, 이 용액은 그들의 몸에 들어가 신경계에 영향을 미쳤습니다. 끔찍한 이반(Ivan the Terrible)은 30세까지 매우 진보적이고 선량한 왕이었는데, 그 후 하룻밤 사이에 변해 미친 폭군이 되었습니다. 그의 시신을 발굴한 결과 그의 뼈는 심하게 변형되었으며 엄청난 양의 수은이 함유되어 있는 것으로 밝혀졌습니다. 사실 차르는 심한 형태의 관절염을 앓고 있었고 당시 관절염은 수은 연고를 문질러 치료했습니다. 이것이 유일한 치료법이었고 아마도 수은은 Ivan the Terrible의 이상한 광기를 설명합니다. 현재의 중국을 창조한 진시황은 36년 동안 통치했는데, 그 중 첫 12년은 어머니인 섭정의 손에 꼭두각시로 있었습니다. 그의 이야기는 햄릿의 이야기와 비슷합니다. 그의 어머니와 그녀의 애인은 그의 아버지를 죽인 다음 그를 제거하려고 시도했습니다. 그것은 끔찍한 이야기입니다. 그러나 성숙해진 그는 스스로 통치하기 시작했고 12년 만에 400년 동안 지속된 중국 7개 왕국 간의 내부 전쟁을 중단하고 중국을 통일하고 무게와 돈, 한문을 통일하고 대왕을 건설했습니다. 중국의 벽, 그는 아직 사용 중인 65,000km의 고속도로와 아직 사용 중인 운하를 건설했는데 이 모든 일을 한 사람이 수행했지만 최근 몇 년 동안 그는 이상한 형태의 조울증에 시달렸습니다. 그의 연금술사들은 그를 불멸로 만들기 위해 그에게 수은 알약을 주었고 이것이 그를 불멸로 만들 것이라고 믿었습니다. 결과적으로 분명히 놀라운 건강으로 구별되는이 남자는 50 세가되기 전에 사망했습니다. 이 짧은 인생은 광기로 흐려졌습니다. 납 중독으로 인해 많은 로마 황제가 희생자가 되었을 수 있습니다. 로마에는 납 물 공급원과 수로가 있었고 납 중독으로 인해 뇌의 특정 부분이 수축되는 것으로 알려져 있으며 단층 촬영 이미지, 지능 저하에서도 이를 볼 수 있습니다. , IQ가 떨어지면 사람은 매우 공격적이 됩니다 . 납 중독은 여전히 많은 도시와 국가에서 큰 문제입니다. 이러한 원하지 않는 결과를 없애기 위해서는 환경을 정화할 수 있는 새로운 소재를 개발해야 합니다.

완전히 설명되지 않은 흥미로운 물질은 초전도체입니다. 초전도성은 100년 전에도 발견되었습니다. 이 현상은 대체로 이국적이며 우연히 발견되었습니다. 그들은 단순히 액체 헬륨에서 수은을 냉각하고 전기 저항을 측정한 결과 정확히 0으로 떨어졌으며 나중에 초전도체가 자기장을 완전히 밀어내고 자기장에서 공중에 떠오를 수 있다는 것이 밝혀졌습니다. 초전도체의 이 두 가지 특성은 첨단 기술 응용 분야에서 매우 널리 사용됩니다. 100년 전에 발견된 초전도체의 종류가 설명되었고, 설명하는 데 반세기가 걸렸고, 이 설명은 존 바딘과 그의 동료들에게 노벨상을 안겨주었습니다. 그러나 80년대, 이미 우리 세기에 새로운 유형의 초전도성이 발견되었으며 최고의 초전도체는 바로 이 클래스, 즉 구리 기반 고온 초전도체에 속합니다. 흥미로운 특징은 그러한 초전도성에 대한 설명이 아직 없다는 것입니다. 초전도체에는 다양한 응용 분야가 있습니다. 예를 들어, 초전도체의 도움으로 가장 강력한 자기장이 생성되며, 이는 자기공명영상(MRI)에 사용됩니다. 자기 부상 열차는 또 다른 응용 분야이며, 여기에 제가 개인적으로 그러한 열차를 타고 상하이에서 찍은 사진이 있습니다. 시속 431km의 속도 표시기가 보입니다. 초전도체는 때때로 매우 이색적입니다. 유기 초전도체, 즉 탄소 기반 초전도체는 알려진 지 30년이 조금 넘는데 다이아몬드에도 소량의 붕소 원자를 첨가하면 초전도체가 될 수 있다는 것이 밝혀졌습니다. 흑연은 초전도체가 될 수도 있습니다.

다음은 재료의 특성이나 재료에 대한 무지가 어떻게 치명적인 결과를 초래할 수 있는지에 대한 흥미로운 역사적 유사점입니다. 매우 아름답지만 분명히 역사적으로 잘못된 두 가지 이야기이지만, 아름다운 이야기가 때로는 실화보다 낫기 때문에 계속 말씀드리겠습니다. 대중 과학 문헌에서는 실제로 주석 전염병의 영향(여기에 그 샘플이 있음)이 어떻게 러시아의 나폴레옹 원정과 남극으로의 스콧 선장의 원정을 파괴했는지에 대한 언급을 찾는 것이 매우 일반적입니다. 사실 섭씨 13도의 주석은 금속(백색 주석)에서 반도체인 회색 주석으로 전이되는 반면 밀도는 급격히 떨어지고 주석은 분해됩니다. 이것을 "주석 전염병"이라고 합니다. 주석이 단순히 부스러져 먼지가 되는 것입니다. 여기에 내가 완전히 설명된 것을 본 적이 없는 이야기가 있습니다. 나폴레옹은 62만 명의 군대를 이끌고 러시아에 왔고, 상대적으로 작은 전투 몇 번만 치렀고, 보로디노에 도달한 사람은 15만 명에 불과했습니다. 620명이 도착했고, 15만명이 거의 전투 없이 보로디노에 도달했습니다. 보로디노 치하에서는 약 4만 명의 희생자가 더 있었고 모스크바에서 퇴각했으며 5천 명이 살아서 파리에 도착했습니다. 그건 그렇고, 퇴각도 거의 싸움이 없었습니다. 무슨 일이야? 어떻게 싸우지 않고 620,000에서 5,000으로 갈 수 있습니까? 주석 전염병이 모든 것에 책임이 있다고 주장하는 역사가들이 있습니다. 군인 제복의 단추는 주석으로 만들어졌고, 주석은 추운 날씨가 시작되자 마자 부서졌으며, 군인들은 러시아의 서리 속에서 거의 발가벗은 상태였습니다. . 문제는 버튼이 주석 전염병에 강한 더러운 주석으로 만들어졌다는 것입니다.

대중 과학 언론에서 다양한 버전에 따르면 Scott 선장이 연료 탱크에 주석 땜납이있는 비행기를 가지고 다니거나 주석 캔에 담긴 통조림 식품을 가지고 갔다는 언급을 자주 볼 수 있습니다. 주석이 다시 부서지고 원정대가 굶주림과 추위로 사망했습니다. 나는 실제로 스콧 선장의 일기를 읽었습니다. 그는 비행기에 대해 언급하지 않았고 일종의 스노 모빌을 가지고 있었지만 다시 연료 탱크에 대해 글을 쓰지 않았고 통조림 식품에 대해서도 글을 쓰지 않았습니다. 따라서 이러한 가설은 분명히 부정확하지만 매우 흥미롭고 유익합니다. 그리고 주석 전염병의 영향을 기억하는 것은 추운 기후에 갈 경우 어떤 경우에도 유용합니다.

여기에 다른 경험이 있습니다. 여기에는 끓는 물이 필요합니다. 누구에게도 일어나지 않았을 재료 및 그 구조와 관련된 또 다른 효과는 완전히 우연히 발견된 형상 기억 효과입니다. 이 그림에서 제 동료들이 이 와이어로 두 개의 글자를 만든 것을 볼 수 있습니다: T U, Technical University, 그들은 이 형태를 고온에서 경화시켰습니다. 고온에서 모양을 굳히면 재료가 그 모양을 기억합니다. 예를 들어, 하트를 만들어 사랑하는 사람에게 주고 다음과 같이 말할 수 있습니다. 이 하트는 내 감정을 영원히 기억할 것입니다. 그러면 이 모양이 파괴될 수 있지만 뜨거운 물에 넣으면 바로 모양이 복원됩니다. 그것은 마술처럼 보입니다. 방금 이 모양을 깨뜨렸는데 뜨거운 물에 넣으면 모양이 복원됩니다. 그리고 이 모든 것은 섭씨 60도의 온도에서 이 물질에서 발생하는 매우 흥미롭고 다소 미묘한 구조적 변형 덕분에 발생합니다. 이것이 우리 실험에 뜨거운 물이 필요한 이유입니다. 그리고 강철에서도 동일한 변형이 발생하지만 강철에서는 너무 느리게 발생하며 형상 기억 효과가 발생하지 않습니다. 강철도 그런 효과를 보인다면 우리는 전혀 다른 세상에 살게 될 것이라고 상상해 보세요. 형상 기억 효과는 치아 교정기, 심장 바이패스, 소음을 줄이기 위한 비행기의 엔진 부품, 가스 및 석유 파이프라인의 접착 등 다양한 용도로 사용됩니다. 이제 다른 자원봉사자가 필요해요... 이름이 뭐예요? 비카? 이 와이어를 사용하려면 Vicki의 도움이 필요합니다. 형상 기억 와이어입니다. 동일한 니티놀 합금, 니켈과 티타늄의 합금. 이 와이어는 직선형 와이어 형태로 경화되었으며, 이 형태를 영원히 기억할 것입니다. Vika, 이 철사 조각을 가져다가 가능한 모든 방법으로 비틀어 가능한 한 간접적으로 만들고 매듭을 묶지 마십시오. 매듭이 풀리지 않습니다. 이제 끓는 물에 담그면 와이어가 이 모양을 기억할 것입니다. 음, 곧게 펴졌나요? 이 효과는 영원히 관찰될 수 있고 아마도 천 번은 봤을 것입니다. 하지만 매번 어린아이처럼 그 효과가 얼마나 아름다운지 보고 감탄합니다. 비카에게 박수를 보내자. 컴퓨터에서 그러한 자료를 예측하는 방법을 배우면 좋을 것입니다.

그리고 여기에는 완전히 사소하지 않은 재료의 광학적 특성이 있습니다. 거의 대부분의 결정인 많은 물질이 빛의 광선을 서로 다른 방향과 속도로 이동하는 두 개의 광선으로 분할한다는 것이 밝혀졌습니다. 결과적으로 어떤 비문의 수정을 통해 보면 비문은 항상 약간 두 배로 표시됩니다. 그러나 원칙적으로 우리 눈으로는 구별이 불가능합니다. 일부 결정에서는 이 효과가 너무 강해서 실제로 두 개의 비문을 볼 수 있습니다.

청중의 질문:속도가 다르다고 했죠?

아르템 오가노프:그렇습니다. 빛의 속도는 진공에서만 일정합니다. 응축된 매체에서는 더 낮습니다. 또한, 우리는 각 재료에 특정한 색상이 있다고 생각하는 데 익숙합니다. 루비는 빨간색, 사파이어는 파란색이지만 색상은 방향에 따라 달라질 수도 있습니다. 일반적으로 결정의 주요 특징 중 하나는 이방성(방향에 대한 특성의 의존성)입니다. 이 방향과 이 방향의 속성은 다릅니다. 여기에 갈색-노란색에서 파란색으로 다른 방향으로 색상이 변하는 광물 근청석이 있습니다. 이것은 동일한 결정입니다. 내 말을 믿지 않는 사람이 있나요? 특별히 코디어라이트 크리스탈을 가져왔는데, 제발... 보세요, 무슨 색인가요?

청중의 질문:흰색인 것 같지만 이렇습니다...

아르템 오가노프:흰색과 같은 빛에서 보라색까지, 크리스탈을 회전시키기만 하면 됩니다. 실제로 바이킹이 어떻게 아메리카 대륙을 발견했는지에 대한 아이슬란드 전설이 있습니다. 그리고 많은 역사가들은 이 전설에서 이 효과의 사용에 대한 표시를 봅니다. 바이킹이 대서양 한가운데에서 길을 잃었을 때, 그들의 왕은 어떤 태양석을 꺼냈고, 황혼 속에서 그는 서쪽으로 향하는 방향을 결정할 수 있었고, 그래서 그들은 미국으로 항해했습니다. 태양석이 무엇인지 아는 사람은 아무도 없지만 많은 역사가들은 태양석이 Vika가 손에 들고 있는 것, 근청석이라고 믿습니다. 그런데 근청석은 노르웨이 해안에서 발견되며 이 결정의 도움으로 실제로 할 수 있습니다 황혼의 빛, 저녁 빛, 극지방에서 탐색하십시오. 그리고 이 효과는 50년대까지 미 공군에 의해 사용되었으며, 이후 더 발전된 방법으로 대체되었습니다. 그리고 여기에 또 다른 흥미로운 효과가 있습니다. 알렉산드라이트, 누구든지 원하는 경우 합성 알렉산드라이트 결정을 가져 왔고 그 색상은 광원, 즉 일광과 전기에 따라 변경됩니다. 그리고 마지막으로 과학자와 미술사가들이 수세기 동안 이해할 수 없었던 또 다른 흥미로운 효과가 있습니다. 리쿠르고스 컵(Lycurgus Cup)은 2천여 년 전에 로마 장인이 만든 물건입니다. 확산광에서는 이 그릇이 녹색이고 투과광에서는 빨간색입니다. 그리고 우리는 몇 년 전에 이것을 문자 그대로 이해했습니다. 그 그릇은 순수한 유리로 만들어진 것이 아니라 금 나노입자를 함유하고 있어 이러한 효과를 만들어낸 것으로 밝혀졌습니다. 이제 우리는 색상의 본질을 이해합니다. 색상은 특정 흡수 범위, 물질의 전자 구조와 연관되어 있으며 이는 차례로 물질의 원자 구조와 연관됩니다.

청중의 질문:'반사'와 '전송'의 개념을 명확히 할 수 있나요?

아르템 오가노프:할 수 있다! 그건 그렇고, 나는 이러한 동일한 흡수 스펙트럼이 근청석이 서로 다른 방향에서 서로 다른 색상을 갖는 이유를 결정한다는 점에 주목합니다. 사실 결정 자체의 구조, 특히 코디어라이트는 방향에 따라 다르게 보이며 빛은 이러한 방향에서 다르게 흡수됩니다.

백색광이란 무엇입니까? 이는 빨간색에서 보라색까지의 전체 스펙트럼이며, 빛이 결정을 통과할 때 이 범위의 일부가 흡수됩니다. 예를 들어, 크리스탈은 청색광을 흡수할 수 있으며, 이 표에서 그 결과 어떤 일이 일어나는지 확인할 수 있습니다. 파란색 광선을 흡수하면 주황색으로 출력되므로 주황색을 보면 파란색 범위에서 흡수된다는 것을 알 수 있습니다. 산란광은 테이블 위에 같은 리쿠르거스 컵이 있을 때 빛이 떨어지고 이 빛의 일부가 산란되어 눈에 닿는 것을 말합니다. 광산란은 완전히 다른 법칙을 따르며, 특히 물체의 입자 크기에 따라 달라집니다. 빛의 산란 덕분에 하늘은 파랗습니다. 이러한 색상을 설명하는 데 사용할 수 있는 레일리 산란 법칙이 있습니다.

속성이 구조와 어떻게 관련되어 있는지 보여 드렸습니다. 이제 결정 구조를 예측하는 방법을 간략하게 살펴 보겠습니다. 이는 결정 구조를 예측하는 문제가 최근까지 해결 불가능한 것으로 간주되었음을 의미합니다. 이 문제 자체는 다음과 같이 공식화됩니다. 최대 안정성, 즉 가장 낮은 에너지를 제공하는 원자 배열을 찾는 방법은 무엇입니까? 어떻게 하나요? 물론 우주의 원자 배열에 대한 모든 옵션을 살펴볼 수 있지만 옵션이 너무 많아서 살펴볼 시간이 충분하지 않습니다. 예를 들어 20개의 원자가 있는 시스템에서는 컴퓨터에서 가능한 모든 조합을 분류하려면 우주의 시간 수명 이상이 필요합니다. 따라서 이 문제는 해결이 불가능하다고 여겨졌다. 그럼에도 불구하고 이 문제는 여러 가지 방법을 사용하여 해결되었으며, 가장 효과적인 방법은 비록 무모하게 들릴 수도 있지만 우리 그룹에서 개발했습니다. 그 방법은 "성공", "USPEX", 진화 방법, 진화 알고리즘이라고 불리며 그 본질을 지금부터 설명하려고합니다. 문제는 일부 다차원 표면에서 전역 최대값을 찾는 것과 동일합니다. 단순화를 위해 지도 없이 가장 높은 산을 찾아야 하는 지구 표면인 2차원 표면을 고려해 보겠습니다. 제 호주인 동료 Richard Clegg가 말한 대로 표현해 보겠습니다. 그는 호주인이고 캥거루를 좋아합니다. 그의 공식화에서는 상당히 지능이 없는 동물인 캥거루를 사용하여 지구 표면의 가장 높은 지점을 결정해야 합니다. 캥거루는 올라가고 내려가라는 간단한 지시만 이해합니다. 진화 알고리즘에서 우리는 캥거루 무리를 무작위로 지구상의 여러 지점에 떨어뜨리고 그들 각각에게 가장 가까운 언덕 꼭대기로 올라가라는 지시를 내립니다. 그리고 그들은 간다. 예를 들어, 이 캥거루가 참새 언덕에 도달하고 Elbrus에 도달하면 높이 도달하지 못한 캥거루는 제거되어 반격됩니다. 사냥꾼이 오고, 예술가가 오고, 사냥꾼이 와서 쏘고, 살아남은 사람들은 번식할 권리를 갖는다고 거의 말했어요. 그리고 이로 인해 전체 검색 공간에서 가장 유망한 분야를 식별하는 것이 가능해졌습니다. 그리고 단계적으로, 점점 더 높은 캥거루를 쏘면서 캥거루 개체수를 전 세계적으로 최대치로 끌어올릴 것입니다. 캥거루는 점점 더 성공적인 자손을 낳을 것이고, 사냥꾼은 점점 더 높이 올라가는 캥거루를 쏘게 될 것이며, 따라서 이 인구는 단순히 에베레스트로 몰려갈 수 있습니다.

그리고 이것이 진화 방법의 본질입니다. 단순화를 위해 이것이 정확히 어떻게 구현되었는지에 대한 기술적인 세부 사항은 생략하겠습니다. 그리고 여기에 이 방법의 또 다른 2차원 구현이 있습니다. 여기에 에너지의 표면이 있습니다. 우리는 가장 푸른 점을 찾아야 합니다. 여기에 초기의 무작위 구조가 있습니다. 이것은 굵은 점입니다. 계산을 통해 빨간색과 노란색 영역 중 어느 것이 나쁜지, 파란색과 녹색 영역이 가장 유망한지 즉시 이해합니다. 그리고 가장 적합하고 가장 안정적인 구조를 찾을 때까지 가장 유망한 영역을 테스트하는 밀도가 단계적으로 증가합니다. 구조를 예측하는 방법에는 무작위 검색, 인공 어닐링 등 다양한 방법이 있지만 이 진화 방법이 가장 강력한 것으로 나타났습니다.

가장 어려운 것은 컴퓨터에서 부모로부터 자손을 생산하는 방법입니다. 두 개의 부모 구조를 가져와서 자식을 만드는 방법은 무엇입니까? 사실, 컴퓨터에서는 두 부모에게서만 아이를 만들 수 있는 것이 아니라 실험도 했고, 세 명, 네 명에게서도 아이를 만들려고 노력했습니다. 그러나 밝혀진 바와 같이 이것은 인생에서와 마찬가지로 좋은 결과로 이어지지 않습니다. 아이는 부모가 둘이면 더 나아집니다. 그런데 한 부모도 작동하고 두 부모가 최적이지만 서너 명은 더 이상 작동하지 않습니다. 진화 방법에는 생물학적 진화와 유사한 몇 가지 흥미로운 특징이 있습니다. 우리는 계산을 시작하는 데 사용되는 적응되지 않은 무작위 구조에서 어떻게 고도로 조직화되고 고도로 정렬된 솔루션이 계산 과정에서 나타나는지 확인합니다. 구조물의 모집단이 가장 다양할 때 계산이 가장 효과적이라는 것을 알 수 있습니다. 가장 안정적이고 가장 많이 생존하는 개체군은 다양성을 지닌 개체군입니다. 예를 들어, 제가 러시아에 대해 좋아하는 점은 러시아에는 150명이 넘는 민족이 있다는 것입니다. 금발의 사람들이 있고, 검은 머리의 사람들이 있고, 나 같은 백인 국적의 온갖 사람들이 있고, 이 모든 것이 러시아 인구에게 안정과 미래를 제공합니다. 단조로운 인구에는 미래가 없습니다. 이것은 진화 계산에서 매우 명확하게 볼 수 있습니다.

대기압에서 탄소의 안정한 형태가 흑연이라고 예측할 수 있습니까? 예. 이 계산은 매우 빠릅니다. 그러나 흑연 외에도 동일한 계산에서 약간 덜 안정적인 몇 가지 흥미로운 솔루션을 생성합니다. 그리고 이러한 솔루션도 흥미로울 수 있습니다. 압력을 높이면 흑연은 더 이상 안정적이지 않습니다. 그리고 다이아몬드는 안정적입니다. 우리는 이것을 아주 쉽게 찾을 수 있습니다. 계산을 통해 무질서한 초기 구조에서 다이아몬드가 어떻게 신속하게 생성되는지 확인하세요. 그러나 다이아몬드가 발견되기 전에 수많은 흥미로운 구조가 만들어집니다. 예를 들어 이런 구조입니다. 다이아몬드에는 육각형 고리가 있지만 여기에서는 5각형 및 7각형 고리가 보입니다. 이 구조는 다이아몬드에 비해 안정성이 약간 열등할 뿐이어서 처음에는 신기한 일이라고 생각했지만 나중에는 이것이 최근에 우리와 동료들에 의해 발견된 실제로 존재하는 새로운 형태의 탄소라는 것이 밝혀졌습니다. 이 계산은 100만 기압에서 이루어졌습니다. 압력을 2천만 기압으로 높이면 다이아몬드는 더 이상 안정되지 않습니다. 그리고 다이아몬드 대신 매우 이상한 구조가 안정될 것입니다. 그러한 압력에서 탄소의 안정성은 수십 년 동안 의심되어 왔으며 우리의 계산은 이것을 확인합니다.

우리와 우리 동료들은 이 방법을 사용하여 많은 일을 해왔으며 여기에는 다양한 발견 중 일부가 있습니다. 그 중 몇 가지에 대해서만 이야기하겠습니다.

이 방법을 사용하면 실험실에서 재료를 검색하는 것을 컴퓨터 검색으로 대체할 수 있습니다. 실험실에서 재료를 발견하는 분야에서 에디슨은 다음과 같이 말한 탁월한 챔피언이었습니다. "나는 10,000번의 실패를 겪었지만 작동하지 않는 10,000가지 방법만을 발견했습니다." 이는 이 방법을 사용하여 실제 발견을 하기 전에 얼마나 많은 시도와 실패한 시도를 해야 하는지 알려 주며, 컴퓨터 설계의 도움으로 1회 중 1회, 100회 중 100회, 10,000회 시도에서 성공할 수 있습니다. 10,000개 중 에디슨식 방법을 훨씬 더 생산적인 방법으로 대체하는 것이 우리의 목표입니다.

이제 우리는 에너지뿐만 아니라 모든 자산을 최적화할 수 있습니다. 가장 단순한 성질은 밀도이며, 지금까지 알려진 가장 밀도가 높은 물질은 다이아몬드이다. Almaz는 여러 측면에서 기록 보유자입니다. 입방 센티미터의 다이아몬드에는 다른 물질의 입방 센티미터보다 더 많은 원자가 포함되어 있습니다. 다이아몬드는 경도에 대한 기록을 보유하고 있으며 알려진 물질 중 압축률이 가장 낮은 물질이기도 합니다. 이 기록은 깨질 수 있을까? 이제 우리는 컴퓨터에게 이 질문을 하면 컴퓨터가 답을 줄 것입니다. 대답은 '예'입니다. 이러한 기록 중 일부는 깨질 수 있습니다. 밀도 측면에서 다이아몬드를 이기는 것은 매우 쉬운 것으로 밝혀졌으며 존재할 권리가 있지만 아직 합성되지 않은 더 밀도가 높은 형태의 탄소가 있습니다. 이러한 형태의 탄소는 밀도뿐만 아니라 광학적 특성에서도 다이아몬드를 능가합니다. 그들은 더 높은 굴절률과 빛 분산을 갖게 될 것입니다. 이것이 무엇을 의미합니까? 다이아몬드의 굴절률은 다이아몬드에 비교할 수 없는 광채와 빛의 내부 반사를 제공하며, 빛의 분산은 백색광이 다이아몬드보다 훨씬 더 빨간색에서 보라색 스펙트럼으로 분할된다는 것을 의미합니다. 그런데 보석 산업에서 흔히 다이아몬드를 대체하는 소재는 큐빅 지르코늄 이산화물, 큐빅 지르코니아입니다. 광분산성에서는 다이아몬드보다 우수하지만, 광채에서는 불행하게도 다이아몬드보다 뒤떨어집니다. 그리고 새로운 형태의 탄소는 두 가지 측면에서 다이아몬드를 능가할 것입니다. 경도는 어떻습니까? 2003년까지 경도는 사람이 예측하고 계산하는 법을 배우지 못하는 재산으로 여겨졌는데, 2003년 중국 과학자들의 연구로 모든 것이 바뀌었고, 이번 여름에는 중국 양산대학교를 방문하여 또 다른 명예교수 학위를 받았습니다. , 그리고 그곳에서 나는 이 전체 이론의 창시자를 방문했습니다. 우리는 이 이론을 발전시킬 수 있었습니다.

다음은 계산된 경도 결정이 실험과 어떻게 일치하는지 보여주는 표입니다. 대부분의 일반 물질의 경우 일치성이 우수하지만 흑연의 경우 초경질이어야 한다고 모델이 예측했는데 이는 분명히 잘못된 것입니다. 우리는 이 오류를 이해하고 수정할 수 있었습니다. 이제 이 모델을 사용하여 모든 물질의 경도를 확실하게 예측할 수 있으며 컴퓨터에 다음과 같은 질문을 할 수 있습니다. 어떤 물질이 가장 단단한가요? 경도가 다이아몬드를 능가하는 것이 가능합니까? 사람들은 실제로 이것에 대해 수십 년 동안 생각해 왔습니다. 그렇다면 탄소의 가장 단단한 구조는 무엇입니까? 대답은 실망스러웠습니다. 다이아몬드와 탄소에는 이보다 더 단단한 것은 없습니다. 그러나 경도가 다이아몬드에 가까운 탄소 구조를 찾을 수 있습니다. 경도가 다이아몬드에 가까운 탄소 구조는 실제로 존재할 권리가 있습니다. 그 중 하나가 아까 보여드린 멤버 채널이 5개, 7개 있는 채널이에요. 2001년에 Dubrovinsky는 문헌에서 초경질 물질인 이산화티타늄을 제안했는데 경도 측면에서 다이아몬드보다 열등하지 않다고 믿었지만 의심의 여지가 있었습니다. 이 실험은 꽤 논란의 여지가 있었습니다. 해당 작업의 거의 모든 실험 측정은 조만간 반박되었습니다. 샘플 크기가 작기 때문에 경도를 측정하는 것이 매우 어려웠습니다. 하지만 계산 결과 해당 실험에서도 경도가 잘못 측정된 것으로 나타났으며, 이산화티타늄의 실제 경도는 실험자들이 주장한 것보다 약 3배 정도 낮았습니다. 따라서 이러한 종류의 계산을 통해 어떤 실험이 신뢰할 수 있고 어떤 실험이 신뢰할 수 없는지 판단할 수도 있으므로 이러한 계산은 이제 높은 정확도를 달성했습니다.

제가 여러분에게 말씀드리고 싶은 탄소와 관련된 또 다른 이야기가 있습니다. 그것은 지난 6년 동안 특히 빠르게 전개되었습니다. 그러나 그것은 50년 전 미국 연구자들이 다음과 같은 실험을 수행했을 때 시작되었습니다. 그들은 흑연을 가져다가 약 150,000-200,000기압의 압력으로 압축했습니다. 흑연이 고온에서 압축되면 고압에서 가장 안정적인 탄소 형태인 다이아몬드로 변하게 됩니다. 이것이 바로 다이아몬드가 합성되는 방식입니다. 실온에서 이 실험을 하면 다이아몬드가 형성되지 않습니다. 왜? 흑연을 다이아몬드로 변환하는 데 필요한 구조 조정이 너무 크기 때문에 구조가 너무 다르고 극복해야 할 에너지 장벽이 너무 큽니다. 그리고 다이아몬드의 형성 대신에 우리는 가장 안정적인 구조는 아니지만 형성에 대한 장벽이 가장 낮은 다른 구조의 형성을 관찰할 것입니다. 우리는 그러한 구조를 제안했으며 이를 M-탄소라고 불렀습니다. 이는 5원 및 7원 고리가 있는 동일한 구조입니다. 내 아르메니아 친구들은 농담으로 그것을 "무카본-쉬무카본"이라고 부릅니다. 이 구조는 50년 전의 실험 결과를 완벽하게 설명하고 있으며 실험은 여러 번 반복되었습니다. 그런데 실험은 매우 아름답습니다. 흑연(검은색의 부드러운 불투명 반금속)을 실온에서 압축하고 압력을 가하여 연구원들은 투명한 초경질 비금속을 얻었습니다. 정말 환상적인 변형입니다! 그러나 이것은 다이아몬드가 아니며 그 특성은 다이아몬드와 일치하지 않으며 당시 우리의 가상 구조는 이 물질의 특성을 완전히 설명했습니다. 우리는 매우 기뻤고, 기사를 써서 권위 있는 저널인 Physical Review Letters에 게재했으며, 정확히 1년 동안 영예를 누렸습니다. 1년 후, 미국과 일본의 과학자들은 4원자와 8원 고리로 이루어진 완전히 다른 새로운 구조를 발견했습니다. 이 구조는 우리의 구조와 완전히 다르지만 실험 데이터를 거의 비슷하게 설명합니다. 문제는 실험 데이터의 해상도가 낮고 다른 많은 구조가 이에 적합하다는 것입니다. 또 6개월이 지나자 왕모씨라는 중국인 남성이 W-카본을 제안했고, W-카본도 실험 데이터를 설명했다. 곧 이야기는 기괴해졌습니다. 새로운 중국 그룹이 합류했고 중국인은 생산을 좋아하여 약 40개의 구조를 대량 생산했으며 모두 P-, Q-, R-, S-carbon, Q-라는 실험 데이터에 적합했습니다. 탄소, X-, Y-, Z-탄소, M10-탄소가 알려져 있고, X'-탄소 등 - 알파벳이 이미 없습니다. 그럼 누가 맞나요? 일반적으로 말하자면, 처음에는 우리 M-carbon이 다른 모든 사람들과 마찬가지로 정당성을 주장할 수 있는 권리를 정확히 갖고 있었습니다.

청중의 답변:모두가 옳습니다.

아르템 오가노프:이런 일도 일어나지 않습니다! 사실 자연은 항상 극단적인 해결책을 선택합니다. 사람만이 극단주의자인 것이 아니라 자연도 극단주의자이다. 고온에서는 자연이 가장 안정적인 상태를 선택합니다. 고온에서는 모든 에너지 장벽을 통과할 수 있고, 저온에서는 자연이 가장 작은 장벽을 선택하고 승자는 한 명뿐이기 때문입니다. 챔피언은 단 한 명만 있을 수 있습니다. 그렇다면 정확히 누구일까요? 고해상도 실험을 할 수 있지만 사람들은 50년 동안 시도했지만 아무도 성공하지 못했고 모든 결과의 품질이 좋지 않았습니다. 계산을 하시면 됩니다. 그리고 계산에서 이 40개 구조 모두의 형성에 대한 활성화 장벽을 고려할 수 있습니다. 그러나 첫째, 중국인은 여전히 새롭고 새로운 구조물을 대량 생산하고 있으며 아무리 노력하더라도 다음과 같이 말하는 중국인이 여전히 있을 것입니다. 나에게는 또 다른 구조물이 있으며 남은 생애 동안 이를 계산할 것입니다. 당신이 충분한 휴식을 취할 때까지 장벽. 이것이 첫 번째 어려움입니다. 두 번째 어려움은 고체 변형에서 활성화 장벽을 계산하는 것이 매우 어렵다는 것입니다. 이는 매우 사소한 작업이므로 특별한 방법과 강력한 컴퓨터가 필요합니다. 사실 이러한 변형은 전체 결정에서 발생하지 않고 먼저 작은 조각, 즉 배아에서 발생한 다음 배아로 퍼집니다. 그리고 이 배아를 모델링하는 것은 매우 어려운 작업입니다. 그러나 우리는 오스트리아와 미국 과학자들이 이전에 개발한 방법을 발견하여 우리 작업에 적용했습니다. 우리는 한 번의 타격으로 이 문제를 완전히 해결할 수 있는 방식으로 이 방법을 수정했습니다. 우리는 다음과 같이 문제를 제기했습니다. 흑연으로 시작하면 초기 상태는 엄격하게 정의되고 최종 상태는 모호하게 정의됩니다. 즉, 사면체, sp3 혼성화된 형태의 탄소(이것이 압력 하에서 예상되는 상태입니다) 어떤 장벽이 최소가 될까요? 이 방법은 장벽을 세어 최소 장벽을 찾을 수 있지만 최종 상태를 다양한 구조의 앙상블로 정의하면 문제를 완전히 해결할 수 있습니다. 우리는 흑연-다이아몬드 변환 경로를 "시드"로 사용하여 계산을 시작했습니다. 이 변환이 실험에서는 관찰되지 않는다는 것을 알고 있지만 계산이 이 변환으로 무엇을 할 것인지에 관심이 있었습니다. 우리는 조금 기다렸습니다(사실 이 계산은 슈퍼컴퓨터에서 6개월이 걸렸습니다). 계산 결과 다이아몬드 대신 M-탄소가 나왔습니다.

일반적으로 나는 매우 운이 좋은 사람이라고 말해야합니다. 당첨 확률이 동일한 구조가 40 개 정도 있었기 때문에 당첨 확률이 1/40 이었지만 복권을 다시 뽑았습니다. 우리의 M-탄소가 우승하여 네이처 그룹의 새로운 저널인 Scientific Reports에 결과를 발표했습니다. 그리고 이론적 결과를 발표한 지 한 달 만에 같은 저널에서 다음과 같은 고해상도 실험 결과를 발표했습니다. 50년 만에 처음 받았다. 예일대학교 연구진이 고해상도 실험을 하여 이 모든 구조를 테스트한 결과 M-탄소만이 모든 실험 데이터를 만족하는 것으로 나타났습니다. 그리고 이제 탄소 형태 목록에는 실험적으로나 이론적으로 확립된 또 다른 탄소 동소체인 M-탄소가 있습니다.

연금술적 변형을 하나 더 언급하겠습니다. 압력이 가해지면 모든 물질이 금속으로 변할 것으로 예상되며, 조만간 모든 물질이 금속이 될 것입니다. 처음에 이미 금속이었던 물질은 어떻게 될까요? 예를 들어, 나트륨. 나트륨은 단순한 금속이 아니라 자유 전자 모델로 설명되는 놀라운 금속, 즉 좋은 금속의 한계 사례입니다. 나트륨을 짜면 어떻게 되나요? 나트륨은 더 이상 좋은 금속이 아니라는 것이 밝혀졌습니다. 처음에는 나트륨이 1차원 금속으로 변합니다. 즉, 전기를 한 방향으로만 전도하게 됩니다. 더 높은 압력에서 나트륨은 금속성을 완전히 잃어 붉은 빛을 띤 투명한 유전체로 변할 것이며, 압력을 더 높이면 유리처럼 무색이 될 것이라고 예측했습니다. 따라서-은색 금속을 가져다가 짜십시오-먼저 석탄처럼 검은 나쁜 금속으로 변하고 더 짜내십시오-외관으로는 루비를 연상시키는 붉은 투명한 결정으로 변한 다음 유리처럼 흰색이됩니다. 우리는 이를 예측했고, 우리가 이를 투고했던 네이처 저널은 이를 출판을 거부했습니다. 편집자는 며칠 내에 텍스트를 반환하고 다음과 같이 말했습니다. 우리는 그것을 믿지 않습니다. 너무 이국적입니다. 우리는 이 예측을 테스트할 준비가 된 실험자 Mikhail Eremets를 찾았으며 그 결과는 다음과 같습니다. 110기가파스칼의 압력에서는 110만 기압이고 여전히 은금속이며, 150만 기압에서는 석탄처럼 검은 나쁜 금속입니다. 200만 기압에서는 투명한 불그스름한 비금속입니다. 그리고 이미 이 실험을 통해 우리는 결과를 매우 쉽게 발표했습니다. 그건 그렇고, 이것은 전자가 더 이상 (금속처럼) 공간에 퍼지지 않고 (이온 및 공유 물질에서와 같이) 원자 또는 결합에 국한되지 않기 때문에 다소 이국적인 물질 상태입니다. 나트륨에 금속성을 부여한 것은 원자가 없는 공극 공간에 끼어 있으며 매우 강하게 국지화되어 있습니다. 이러한 물질은 일렉트라이드(electride)라고 불릴 수 있습니다. 음으로 하전된 이온, 음이온의 역할이 원자(예: 불소, 염소, 산소)가 아니라 전자 밀도의 응고에 의해 수행되는 소금, 그리고 우리의 나트륨 형태는 알려진 전자화물의 가장 단순하고 가장 놀라운 예입니다. .

이런 종류의 계산은 지구와 행성 내부의 실체를 이해하는 데에도 사용될 수 있습니다. 우리는 주로 간접적인 데이터, 지진 데이터를 통해 지구 내부 상태에 대해 배웁니다. 우리는 주로 철로 구성된 지구의 금속 핵과 맨틀이라고 불리는 규산 마그네슘으로 구성된 비금속 껍질이 있고, 바로 그 표면에는 우리가 살고 있는 지구의 얇은 지각이 있다는 것을 알고 있습니다. , 그리고 우리가 아주 잘 알고 있는 내용입니다. 좋아요. 그리고 지구 내부는 우리에게 거의 완전히 알려지지 않았습니다. 직접적인 테스트를 통해 우리는 지구의 표면만을 연구할 수 있습니다. 가장 깊은 우물은 Kola 초심 우물이며 깊이는 12.3km이며 소련에서 시추되었으며 누구도 더 이상 시추할 수 없습니다. 미국인들은 이 프로젝트를 시추하려다가 파산하여 중단했습니다. 그들은 소련에 막대한 금액을 투자하고 최대 12km를 뚫은 다음 페레스트로이카가 발생하고 프로젝트가 동결되었습니다. 그러나 지구의 반경은 500배 더 크며 심지어 콜라 초심층 우물도 행성 표면에만 뚫려 있습니다. 그러나 지구의 깊이의 실체는 지진, 화산 활동, 대륙 이동 등 지구의 표면을 결정합니다. 자기장은 우리가 결코 도달할 수 없는 지구의 중심부에 형성됩니다. 지구의 녹은 외핵의 대류는 지구 자기장의 형성을 담당합니다. 그건 그렇고, 지구의 내부 코어는 단단하고 외부는 녹고 녹은 초콜릿이 들어간 초콜릿 캔디와 같고 내부는 너트입니다. 이것이 지구의 코어를 상상할 수있는 방법입니다. 지구의 단단한 맨틀의 대류는 매우 느리며 그 속도는 연간 약 1cm입니다. 더 뜨거운 해류는 올라가고 더 차가운 해류는 내려갑니다. 이것이 지구 맨틀의 대류 운동이며 대륙 표류, 화산 활동 및 지진을 담당합니다.

중요한 질문은 지구 중심의 온도는 얼마입니까? 우리는 지진 모델을 통해 압력을 알고 있지만 이러한 모델은 온도를 제공하지 않습니다. 온도는 다음과 같이 정의됩니다. 내부 코어는 고체, 외부 코어는 액체, 코어는 철로 만들어졌다는 것을 알고 있습니다. 따라서 해당 깊이에서 철의 녹는점을 알면 해당 깊이의 코어 온도도 알 수 있습니다. 실험이 수행되었지만 불확실성이 2,000 도에 이르렀고 계산이 이루어졌으며 계산으로이 문제가 종료되었습니다. 내핵과 외핵 경계에서 철의 녹는점은 약 64,000켈빈인 것으로 밝혀졌습니다. 그러나 지구 물리학자들이 이 결과에 대해 알게 되었을 때, 이 온도는 지구 자기장의 특성을 정확하게 재현하기에는 너무 높다는 것이 밝혀졌습니다. 이 온도는 너무 높았습니다. 그리고 물리학자들은 실제로 핵이 순수한 철이 아니라 다양한 불순물을 포함하고 있다는 것을 기억했습니다. 아직 정확히 어떤 것이 무엇인지는 알 수 없지만 후보 중에는 산소, 규소, 황, 탄소, 수소가 있습니다. 다양한 불순물을 다양하게 변화시키고 그 효과를 비교함으로써 녹는점이 약 800도 정도 낮아져야 한다는 것을 이해할 수 있었습니다. 5600도 켈빈은 지구 내핵과 외핵 경계의 온도이며, 이 추정치는 현재 일반적으로 받아들여지고 있습니다. 불순물에 의해 온도가 낮아지는 효과, 공융점이 낮아지는 효과는 잘 알려져 있습니다. 이 효과 덕분에 우리 신발은 겨울에 고통을 받습니다. 눈의 녹는점을 낮추기 위해 도로에 소금을 뿌립니다. , 단단한 눈과 얼음은 액체 상태로 변하고, 우리 신발은 이 소금물로 인해 고통받습니다.

그러나 아마도 이와 동일한 현상의 가장 강력한 예는 비스무트, 납, 주석 및 카드뮴의 네 가지 금속으로 구성된 합금인 우드 합금일 것입니다. 이들 금속은 각각 상대적으로 높은 융점을 갖지만 서로 낮은 온도를 낮추는 효과가 있습니다. 융점은 매우 잘 작동하여 Wood의 합금은 끓는 물에 녹습니다. 누가 이 실험을 하고 싶나요? 그건 그렇고, 나는 암시장에서 예레반의 이 Wood 합금 샘플을 구입했는데, 이것은 아마도 이 경험에 추가적인 풍미를 줄 것입니다.

끓는 물을 부으면 우드 합금을 잡고 우드 합금 방울이 유리에 떨어지는 모습을 볼 수 있습니다.

방울이 떨어지고 있습니다. 그것으로 충분합니다. 뜨거운 물의 온도에서 녹습니다.

그리고 이 효과는 지구의 핵에서 발생합니다. 이로 인해 철 합금의 녹는점이 감소합니다. 하지만 이제 다음 질문은: 핵심은 무엇으로 구성되어 있습니까? 우리는 거기에 철분이 많고 약간의 가벼운 미량 원소가 있다는 것을 알고 있습니다. 후보는 5개입니다. 우리는 가능성이 가장 낮은 후보인 탄소와 수소부터 시작했습니다. 최근까지 이들 후보에 주목한 사람은 거의 없었으며 둘 다 가능성이 낮은 것으로 간주되었습니다. 우리는 그것을 확인하기로 결정했습니다. 모스크바 주립 대학의 직원인 Zulfiya Bazhanova와 함께 우리는 지구 핵심 조건에서 철 탄화물과 수소화물의 안정적인 구조와 안정적인 구성을 예측하기 위해 이 문제를 다루기로 결정했습니다. 우리는 실리콘에 대해서도 이 작업을 수행했는데 특별한 놀라움을 발견하지 못했지만 탄소의 경우 수십 년 동안 안정적이라고 생각되었던 화합물이 실제로 지구 핵의 압력에서 불안정한 것으로 판명되었습니다. 그리고 탄소가 매우 좋은 후보라는 것이 밝혀졌습니다. 사실 탄소만으로도 이전 연구와는 달리 지구 내부 코어의 많은 특성을 완벽하게 설명할 수 있습니다. 수소는 다소 빈약한 후보로 판명되었으며, 수소만으로는 지구 핵의 단일 특성을 설명할 수 없습니다. 수소는 소량으로 존재할 수 있지만 지구 핵의 주요 미량 원소가 될 수는 없습니다. 압력을 받는 수소화수소의 경우, 우리는 놀라운 사실을 발견했습니다. 학교 화학과 모순되는 공식을 가진 안정적인 화합물이 있다는 것이 밝혀졌습니다. 일반 화학자는 수소화수소의 공식을 FeH 2 및 FeH 3으로 쓸 것입니다. 일반적으로 FeH는 압력 하에서도 나타나며 그들은 이것을 받아들였습니다. 그러나 FeH 4가 압력 하에서 나타날 수 있다는 사실은 정말 놀라운 일이었습니다. 우리 아이들이 학교에서 FeH 4 공식을 쓴다면, 아마도 해당 분기에도 화학에서 나쁜 성적을 받을 것이라고 장담합니다. 그러나 압력을 받으면 화학 규칙이 위반되고 그러한 이국적인 화합물이 발생한다는 것이 밝혀졌습니다. 그러나 이미 말했듯이 수소화철은 지구 내부에 중요하지 않을 것입니다. 수소는 상당한 양으로 존재할 것 같지 않지만 탄소는 존재할 가능성이 가장 높습니다.

그리고 마지막으로 마지막 그림은 지구의 맨틀, 아니 오히려 핵과 맨틀 사이의 경계인 소위 "D"층에 관한 것으로, 매우 이상한 특성을 가지고 있습니다. 속성 중 하나는 지진파, 음파 전파의 이방성이었습니다. 수직 방향과 수평 방향에서 속도가 크게 다릅니다. 왜 그럴까요? 오랫동안 이해할 수 없었습니다. 지구 핵과 맨틀 경계층에 새로운 구조의 규산마그네슘이 형성되는 것으로 밝혀졌다. 우리는 8년 전에 이것을 이해했습니다. 동시에 우리와 일본 동료들은 Science와 Nature에 2편의 논문을 발표하여 이 새로운 구조의 존재를 입증했습니다. 이 구조는 서로 다른 방향에서 완전히 다르게 보이며 음파 전파를 담당하는 탄성 특성을 포함하여 그 특성이 서로 다른 방향에서 달라야 한다는 것이 즉시 분명해집니다. 이 구조의 도움으로 수년 동안 발견되어 문제를 일으켰던 모든 물리적 이상 현상을 설명하는 것이 가능했습니다. 여러 가지 예측도 가능했습니다.

특히 수성이나 화성과 같은 작은 행성에는 D층과 같은 층이 없을 것입니다.” 이 구조를 안정시키기에는 압력이 충분하지 않습니다. 지구가 냉각됨에 따라 이 층이 성장해야 한다는 예측도 가능했습니다. 왜냐하면 포스트 페로브스카이트의 안정성은 온도가 감소함에 따라 증가하기 때문입니다. 지구가 형성되었을 때 이 층은 전혀 존재하지 않았지만 우리 행성 개발의 초기 단계에서 태어났을 가능성이 있습니다. 그리고 이 모든 것은 결정질 물질의 새로운 구조에 대한 예측 덕분에 이해될 수 있습니다.

청중의 답변:유전자 알고리즘 덕분입니다.

아르템 오가노프:예, 포스트 페로브스카이트에 관한 이 최신 이야기는 이 진화 방법의 발명보다 앞서 있었습니다. 그건 그렇고, 그녀는 나에게 이 방법을 발명하도록 촉구했습니다.

청중의 답변:따라서 이 유전자 알고리즘은 100년이 되었지만 그들은 다른 어떤 일도 하지 않았습니다.

아르템 오가노프:이 알고리즘은 2006년에 나와 대학원생이 만들었습니다. 그건 그렇고, 그것을 "유전적"이라고 부르는 것은 옳지 않으며, 더 정확한 이름은 "진화적"입니다. 진화 알고리즘은 70년대에 등장했으며 기술과 과학의 다양한 분야에 적용되었습니다. 예를 들어 자동차, 선박, 비행기는 진화 알고리즘을 사용하여 최적화됩니다. 그러나 각각의 새로운 문제에 대해 진화 알고리즘은 완전히 다릅니다. 진화 알고리즘은 하나의 방법이 아니라 거대한 방법 그룹, 응용 수학의 거대한 영역이며 각각의 새로운 유형의 문제에 대해 새로운 접근 방식을 고안해야 합니다.

청중의 답변:무슨 수학? 유전학입니다.

아르템 오가노프:이것은 유전학이 아닙니다. 이것은 수학입니다. 그리고 각각의 새로운 문제에 대해 처음부터 새로운 알고리즘을 개발해야 합니다. 그리고 우리 이전의 사람들은 실제로 진화 알고리즘을 발명하고 이를 적용하여 결정 구조를 예측하려고 했습니다. 하지만 그들은 다른 분야의 알고리즘을 너무 말 그대로 받아들였습니다. 그리고 그것은 작동하지 않았습니다. 그래서 우리는 처음부터 새로운 방법을 만들어야 했고 그것은 매우 강력한 것으로 판명되었습니다. 진화 알고리즘 분야는 제가 적어도 1975년 이래로 오랫동안 활동해 왔지만, 결정 구조를 예측하려면 작업 방법을 만드는 데 상당한 노력이 필요했습니다.

제가 여러분에게 제시한 이 모든 예는 물질의 구조를 이해하고 물질의 구조를 예측하는 능력이 어떻게 흥미로운 광학적 특성, 기계적 특성, 전자적 특성을 가질 수 있는 새로운 재료의 설계로 이어지는지 보여줍니다. 지구와 다른 행성의 내부를 구성하는 물질. 이 경우, 이러한 방법을 사용하여 컴퓨터에서 모든 흥미로운 문제를 해결할 수 있습니다. 나의 동료들과 세계 각지에서 우리 방법을 사용하는 1000명이 넘는 사람들이 이 방법의 개발과 적용에 큰 공헌을 했습니다. 이번 강연을 진행해주신 모든 분들께 진심으로 감사드리며, 관심을 가져주셔서 감사드립니다.

강의토론

보리스 돌긴:정말 감사합니다! Artyom님, 대단히 감사합니다. 이 버전의 공개 강연을 위한 플랫폼을 제공해주신 주최측에 진심으로 감사드립니다. 이 이니셔티브에서 우리를 지원해주신 RVC에 진심으로 감사드립니다. Artyom의 연구가 계속될 것이라고 확신합니다. 여기, 여기 그의 강의를 위한 새로운 자료가 나타날 것이라는 뜻입니다. 오늘 들은 내용 중 일부는 실제로 이전 강의 당시에는 존재하지 않았다고 말해야 하므로 말이 됩니다.

청중의 질문:이렇게 높은 압력에서 실내 온도를 확보하는 방법을 알려주세요. 모든 소성 변형 시스템에는 열 방출이 수반됩니다. 불행히도 당신은 이에 대해 언급하지 않았습니다.

아르템 오가노프:요점은 압축을 얼마나 빨리 수행하느냐에 따라 모든 것이 달라진다는 것입니다. 예를 들어 충격파에서 압축이 매우 빠르게 수행되면 반드시 가열이 수반되며 급격한 압축은 필연적으로 온도 상승으로 이어집니다. 압축을 천천히 수행하면 샘플이 주변 환경과 열을 교환하고 주변 환경과 열 평형을 이룰 수 있는 충분한 시간을 갖습니다.

청중의 질문:설치를 통해 이를 수행할 수 있었습니까?

아르템 오가노프:실험은 제가 한 것이 아니고 계산과 이론만 했습니다. 내부 검열로 인해 실험을 허용하지 않습니다. 그리고 실험은 두 개의 작은 다이아몬드 사이에 샘플이 압축되는 다이아몬드 모루가 있는 챔버에서 수행되었습니다. 이러한 실험에서는 샘플이 열 평형에 도달하는 데 너무 많은 시간이 소요되므로 문제가 발생하지 않습니다.

1. 신소재의 컴퓨터 디자인: 꿈인가 현실인가? Artem Oganov (ARO) (1) 지구과학과 (2) 물리학 및 천문학과 (3) 뉴욕 계산 과학 센터 State University of New York, Stony Brook, NY 11794-2100 (4) Moscow State University, Moscow, 119992, 러시아.
2. 물질의 구조: 원자, 분자 고대인들은 물질이 입자로 구성되어 있다고 추측했습니다. “그(하나님)가 아직 땅도, 들판도, 우주의 초기 먼지 알갱이도 창조하지 않았을 때”(잠언 8장) :26) (또한 - 에피쿠로스, 루크레티우스 카루스, 고대 힌두교도...) 1611년에 J. 케플러는 얼음의 구조, 즉 눈송이의 모양이 원자 구조에 의해 결정된다고 제안했습니다.
3. 물질의 구조: 원자, 분자, 결정 1669 - 결정학의 탄생: 니콜라스 스테논(Nicholas Stenon)은 결정학의 최초 정량 법칙을 공식화했습니다. "결정학은... 비생산적이며, 그 자체로만 존재하며, 결과가 없습니다... 실제로 존재하지 않습니다. 어디든 필요했고, 그것은 자신 안에서 발전했습니다. 그것은 마음에 제한된 만족감을 주지만, 그 세부 사항은 너무 다양해서 무궁무진하다고 할 수 있습니다. 그렇기 때문에 최고의 사람들도 그토록 끈질기게 오랫동안 올가미를 씌우는 것입니다.” (I.V. 괴테, 아마추어 결정학자, 1749-1832) 루트비히 볼츠만(1844-1906)은 원자에 관한 생각에 그의 모든 이론의 기초를 둔 위대한 오스트리아 물리학자입니다. 원자론에 대한 비판으로 인해 그는 1906년에 자살했습니다. 1912년 막스 폰 라우에(Max von Laue)의 실험을 통해 물질의 원자 구조에 관한 가설이 입증되었습니다.
4. 구조는 재료의 특성과 거동을 이해하는 기초입니다(http://nobelprize.org 참조) 아연 혼합 ZnS. 1913년 브래그가 해결한 최초의 구조 중 하나입니다. 놀랍게도 구조에는 ZnS 분자가 없습니다!
5. X-선 회절은 결정 구조를 실험적으로 결정하는 주요 방법입니다. 구조 회절 패턴
6. 구조와 회절 패턴의 관계 이러한 "구조"의 회절 패턴은 무엇입니까?
7. 실험의 승리 - 믿을 수 없을 정도로 복잡한 결정 구조의 결정 불완전한 상 원소의 준결정 단백질(Rb-IV, U.Schwarz'99) 1982년에 발견된 새로운 물질 상태. 2009년에야 자연에서 발견되었습니다! 2011년 노벨상!
8. 물질의 상태 결정질 준결정질 비정질 액체 기체(“연성 물질” – 폴리머, 액정)
9. 원자구조는 물질의 가장 중요한 특성이다. 이를 알면 물질의 성질과 전자구조를 예측할 수 있다. C11 493 482 C22 546 537 C33 470 485 C12 142 144 C13 146 147 C23 160 146 C44 212 204 C55 186 186 MgSiO3 페로브스카이트의 탄성계수 C66 149 147
10. 여러 가지 이야기 4. 지구 내부의 물질 3. 컴퓨터의 물질 2. 결정질을 예측하는 것이 가능합니까? 구조, 구조 및 속성 간의 연결에 대해
11. 얼음이 물보다 가벼운 이유 얼음의 구조에는 액체 물에는 존재하지 않는 큰 빈 채널이 있습니다. 이러한 빈 채널의 존재는 얼음을 얼음보다 가볍게 만듭니다.
12. 가스 수화물(포접 화합물) - 게스트 분자(메탄, 이산화탄소, 염소, 크세논 등)로 채워진 얼음 포접 화합물에 관한 출판물 수 엄청난 양의 메탄 수화물 매장지 - 에너지 부문에 대한 희망과 구원? 낮은 압력에서 메탄과 이산화탄소는 포접물을 형성합니다. 1리터의 포접물에는 168리터의 가스가 포함되어 있습니다! 메탄 수화물은 얼음처럼 보이지만 타서 물을 방출합니다. CO2 수화물 - 이산화탄소 매장의 한 형태? 크세논 마취의 메커니즘은 Xe-수화물의 형성으로, 이는 신경 신호가 뇌로 전달되는 것을 차단합니다(Pauling, 1951).
13. 화학산업 및 환경정화용 미세다공성 물질 제올라이트는 미세다공성 알루미노실리케이트이며, 제올라이트에 의한 옥탄과 이소옥탄의 분리는 화학 응용 분야에 사용됩니다. 산업 중금속 중독의 역사적 사례: 진시황 이반 4세 끔찍한 “네로의 질병(37-68) 납(기원전 259 – 210)(1530-1584) 광기 중독: 모자” 공격성, 치매
14. 신구 초전도체 이 현상은 1911년 Kamerlingh Onnes 초전도 이론 - 1957년(Bardeen, Cooper, Schrieffer)에 의해 발견되었지만 최고 온도 초전도체에 대한 이론은 없습니다(Bednorz, Muller, 1986)! 가장 강력한 자석(MRI, 질량분석기, 입자가속기) 자기부상열차(430km/h)
15. 놀라운 점: 탄소의 초전도 불순물 형태 1.14 1 Tc  exp[ ] kB g (E F)V 도핑된 흑연: KC8 (Tc=0.125 K), CaC6 (Tc=11 K). B-도핑된 다이아몬드: Tc=4 K. 도핑된 풀러렌: RbCs2C60(Tc=33K) 분자 분자 풀러렌 결정의 구조와 모양 C60 풀러라이트 유기 결정의 초전도성은 1979년부터 알려져 왔습니다(Bechgaard, 1979).
16. 재료가 어떻게 저장되거나 파괴될 수 있는지 저온에서 주석은 "주석 전염병"이라는 상전이를 겪습니다. 1812 - 전설에 따르면 나폴레옹의 러시아 원정대는 군복에 달린 주석 단추 때문에 사망했습니다! 1912 – R.F. 선장의 원정대가 사망했습니다. 스콧은 "주석 전염병"으로 인해 남극으로 갔다. 13 0C에서 1차 전이 백색 주석: 7.37 g/cm3 회색 주석: 5.77 g/cm3
17. 형상기억합금 1 2 3 4 1- 변형 전 3- 가열 후(20°C)(50°C) 2- 변형 후 4- 냉각 후(20°C)(20°C) 예: NiTi(니티놀 ) 응용 분야: 션트, 치아 교정기, 송유관 부품 및 항공기 엔진
18. 광학적 특성의 기적 다색성(근청석) - 미국의 발견과 미 공군의 항해 빛의 복굴절(방해석) 알렉산드라이트 효과(크리소베릴) 리쿠르구스의 성배(나노입자가 함유된 유리)
19. 색상의 성질에 대하여 파장, Å 색상 보색4100 보라 레몬 노랑4300 남색 노랑4800 파랑 주황5000 청록색 빨강5300 녹색 보라5600 레몬 노랑 보라5800 남색 노랑6100 주황 파랑6800 빨강 청록색
20. 색상은 방향에 따라 다릅니다(다색성). 예: 코디어라이트(Mg,Fe)2Al4Si5O18.
21. 2. 결정 구조 예측 Oganov A.R., Lyakhov A.O., Valle M. (2011). 진화적 결정 구조 예측이 작동하는 방식과 이유. Acc. 화학. 결의안. 44, 227-237.
22. J. Maddox(Nature, 1988) 임무는 Natom Variants 시간 에너지의 전역 최소값을 찾는 것입니다. 1 1 1초 모든 구조물의 열거가 불가능함: 10 1011 103년. 20 1025 1017년 30 1039 1031년 USPEX 분석법 개요(ARO & Glass, J.Chem.Phys. 2006)
23. 캥거루 진화를 이용하여 에베레스트 산을 찾는 방법은 무엇입니까? (R. Clegg의 사진) 우리는 캥거루를 착륙시켜 번식을 허용합니다(검열 이유로 표시되지 않음).....
24. 캥거루 진화를 이용해 에베레스트 산을 찾는 방법은 무엇입니까? (R.Clegg의 사진) 아아아아아! 아야...그리고 때때로 사냥꾼들이 낮은 고도에 와서 캥거루를 제거합니다
25.
26. 진화 계산은 "자가 학습"하고 우주에서 가장 흥미로운 영역에 대한 검색에 중점을 둡니다.
27. 진화 계산은 "자가 학습"하고 우주에서 가장 흥미로운 영역에 대한 검색에 중점을 둡니다.
28. 진화 계산은 "자가 학습"하고 우주에서 가장 흥미로운 영역에 대한 검색에 중점을 둡니다.
29. 진화 계산은 "자가 학습"하고 우주에서 가장 흥미로운 영역에 대한 검색에 중점을 둡니다.
30. 대체 방법: 무작위 검색(Freeman & Catlow, 1992; van Eijck & Kroon, 2000; Pickard & Needs, 2006) "학습"이 없으며 단순한 시스템(최대 10-12개 원자)에서만 작동합니다. 인공 어닐링(Pannetier) 1990; Schön & Jansen 1996) "학습" 없음 메타역학(Martonak, Laio, Parrinello 2003) 축소된 차원 공간에서의 금기 검색 미니마 호핑(Gödecker 2004) 계산 기록 및 "자기 학습"을 사용합니다. 유전 및 진화 알고리즘 Bush(1995), Woodley(1999)는 결정에 효과적이지 않은 방법입니다. Deaven & Ho(1995)는 나노입자에 대한 효과적인 방법입니다.
31. USPEX(Universal Structure Predictor: Evolutionary Xtallography) (Random) 초기 집단 새로운 세대의 구조는 현재 최고의 구조에서만 생성됨 (1) 유전 (3) 좌표 (2) 격자 돌연변이 돌연변이 (4) 순열
32. 추가 기술 - 구조의 순서 매개변수 “지문” 진화 과정의 혼돈에서 질서의 탄생 [“GOD = Generator Of Diversity” © S. Avetisyan] 로컬 순서 – 결함이 있는 영역을 나타냅니다.
33. 테스트: “흑연이 상압에서 탄소의 안정한 동소체라고 누가 추측하겠습니까?”(Maddox, 1988) 3차원 sp2 구조 제안 흑연은 R. Hoffmann(1983)에 의해 1기압에서 안정한 상으로 정확하게 예측되었습니다. 낮은 sp3-에너지 혼성화 구조는 sp2 혼성화 탄소 화학 sp 혼성화(카빈)를 설명합니다.
테스트: 고압 상도 올바르게 재현됩니다. 100 GPa: 다이아몬드는 안정함 2000 GPa: bc8 상은 안정 + 준안정 상 발견, 실리콘의 준안정 bc8 상 "초경질 흑연"이 알려져 있음(Kasper, 1964)(Li, ARO, Ma, 등, PRL 2009)
35. USPEX를 통해 이루어진 발견:
36. 3. 컴퓨터 자료
37. 새로운 재료의 발견: 여전히 시행착오의 실험적 방법 “나는 (만) 실패를 겪지 않았지만 작동하지 않는 만 가지 방법만 발견했습니다”(T. A. Edison)
38. 가장 밀도가 높은 물질 탐색: 다이아몬드보다 밀도가 높은 탄소의 변형이 가능합니까? 예 다이아몬드의 구조 다이아몬드는 모든 새로운 구조, 원소(및 화합물) 중에서 원자량이 가장 작고 비압축성이 가장 높습니다. 다이아몬드보다 밀도가 높다! (주, ARO 등, 2011)
39. 탄소와 실리카(SiO2) 형태의 비유를 통해 새로운 형태의 탄소의 밀도를 이해할 수 있습니다. 새로운 구조, 다이아몬드보다 밀도가 1.1-3.2%, 매우 높은(최대 2.8!) 굴절률 및 빛 분산 다이아몬드 hP3 구조 tP12 구조 tI12 구조SiO2 크리스토발석 SiO2 석영 SiO2 연석 고압 SiS2 상
40.
41. 가장 단단한 산화물은 TiO2인가요? (Dubrovinsky et al., Nature 410, 653-654 (2001)) Nishio-Hamane(2010) 및 Al-Khatatbeh(2009): 압축 계수 ~300GPa, 431GPa 아님. Lyakhov & ARO(2011): 압력을 받는 실험은 매우 어렵습니다! 경도는 16 GPa 이하입니다! TiO2는 SiO2 stishovite(33 GPa), B6O(45 GPa), Al2O3 커런덤(21 GPa)보다 부드럽습니다.
42. 다이아몬드보다 더 단단한 탄소의 형태가 있을 수 있습니까? 아니요 . 재료 모델 Li Lyakhov Exp. 경도, 엔탈피, 외. & ARO 구조 GPa eV/atom (2009) (2011) 다이아몬드 89.7 0.000 다이아몬드 91.2 89.7 90 Lonsdaleite 89.1 0.026 흑연 57.4 0.17 0.14 C2/m 84.3 0.163 TiO2 금홍석 12.4 12.3 8-10 I4/ mmm 8 4.0 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 Cmcm 82.0 0.224 P6522 81.3 0.111 가장 단단한 구조는 모두 sp3 혼성화 E를 기반으로 합니다. 혁명적 계산
43. 흑연을 냉간 압축하면 다이아몬드가 아닌 M-카본이 생성됩니다! M-카본은 2006년에 제안되었습니다. 2010-2012년에. 수십 가지 대체 구조가 제안되었습니다(W-, R-, S-, Q-, X-, Y-, Z-탄소 등). M-탄소는 최근 실험을 통해 확인되었습니다. M-탄소는 가장 쉽게 형성됩니다. 흑연 흑연 bct4-탄소 흑연 M-탄소 흑연 다이아몬드
44. M-탄소 - 새로운 형태의 탄소 다이아몬드흑연 론스달라이트 탄소 M-탄소풀러렌 카빈의 이론적 상태 다이어그램
45. 자연에서 압력을 받는 물질 P.W. Bridgman 1946년 노벨상 수상자(물리학) 200x규모: 100 GPa = 1 Mbar =
해왕성에는 내부 열원이 있습니다. 그런데 CH4는 어디서 오는 걸까요? 천왕성과 해왕성: H2O:CH4:NH3 = 59:33:8. 해왕성은 내부 에너지원을 가지고 있습니다(Hubbard '99). Ross'81(및 Benedetti'99): CH4=C(다이아몬드) + 2H2. 떨어지는 다이아몬드가 해왕성의 주요 열원입니까? 이론(Ancilotto'97; Gao'2010)이 이를 확인합니다. 메탄 탄화수소 다이아몬드
47. 붕소는 금속과 비금속 사이에 있으며 그 독특한 구조는 B 불순물, 온도 및 압력에 민감합니다. 알파-B 베타 B T-192
48. 붕소 발견 및 연구의 역사는 모순과 탐정적 왜곡으로 가득 차 있습니다. B 1808: J.L.Gay-Lussac과 H.Davy는 새로운 원소인 boron.J.L의 발견을 발표했습니다. Gay-Lussac H. Davy 1895: H. Moissan은 그들이 발견한 물질에 50-60% 이하의 붕소가 포함되어 있음을 증명했습니다. 하지만 모아상 소재 역시 붕소 함량이 90% 미만인 화합물로 밝혀졌다. H. Moissan 1858: F. Wöhler는 붕소의 3가지 변형, 즉 "다이아몬드형", "흑연형" 및 "석탄형"을 설명했습니다. 세 가지 모두 화합물(예: AlB12 및 B48C2Al)로 밝혀졌습니다. 2007: ~16개의 결정 변형이 발표되었습니다(대부분이 화합물입니까?). 어떤 형태가 가장 안정적인지는 알려져 있지 않습니다. F. 뵐러
49. 압력을 가하면 붕소는 부분적으로 이온 구조를 형성합니다! B 2004: Chen 및 Solozhenko: 붕소의 새로운 변형을 합성했지만 그 구조를 풀 수 없었습니다. 2006: Oganov: 구조를 정의하고 안정성을 입증했습니다. 2008: Solozhenko, Kurakevich, Oganov - 이 단계는 알려진 가장 단단한 물질 중 하나입니다(경도 50 GPa). X선 회절. 위 - 이론, 아래 - 실험 감마-붕소의 구조: (B2)δ+(B12)δ-, δ=+0.5(ARO et al., Nature 2009) 가장 많은 것(왼쪽)과 가장 적은 것(오른쪽)의 분포 안정적인 전자.
50. 200년의 연구 끝에 붕소의 첫 번째 단계 다이어그램! BBoron 상태 다이어그램(ARO et al., Nature 2009)
51. 나트륨은 자유전자모델로 완벽하게 설명되는 금속이다
52. 압력을 받으면 나트륨은 본질을 바꿉니다. - "연금술 변형" Na 1807: Humphry Davy가 발견한 나트륨. 2002: Hanfland, Syassen 등. – 극도로 복잡한 화학의 첫 번째 징후H. 1Mbar 이상의 압력을 받는 Davy 나트륨. Gregoryants (2008) – 더 자세한 데이터. 압력을 가하면 나트륨은 부분적으로 d-금속이 됩니다!
53. 투명한 비금속이라는 새로운 구조를 예측했다! 나트륨은 ~2Mbar의 압력에서 투명해집니다(Ma, Eremets, ARO et al., Nature 2009) 전자는 구조의 "빈 공간"에 국한되어 압축된 나트륨을 비금속으로 만듭니다.
광물에 대한 연구는 미적 즐거움일 뿐만 아니라 실질적이고 근본적으로 중요한 과학적 방향입니다. 불순물에 의한 녹는점을 낮추는 효과. 목재 합금 - 70C에서 녹습니다. Bi-Pb-Sn-Cd-In-Tl 합금 - 41.5C에서!
64. 지구 내부 핵의 구성은 무엇입니까? 코어는 순철보다 밀도가 다소 낮습니다. 코어에서 Fe는 S, Si, O, C, H와 같은 가벼운 원소와 합금됩니다. Fe-C 및 Fe-H 시스템에서 새로운 화합물(FeH4!)이 예측됩니다. 탄소는 코어에 대량으로 포함될 수 있습니다 [Bazhanova, Oganov, Dzhanola, UFN 2012]. 밀도를 설명하는 데 필요한 내부 코어의 탄소 비율
65. D층(2700-2890km)의 특성은 오랫동안 미스터리로 남아 있습니다. D” – 뜨거운 맨틀 흐름의 뿌리 MgSiO3가 약 75부피%를 차지할 것으로 예상됩니다. D층의 이상: 지진 파열 , 이방성 코디어라이트 색상의 이방성을 기억해보자!
66. 해결책은 D층(2700-2890km)에 새로운 광물인 MgSiO3 포스트 페로브스카이트의 존재입니다. 위상 다이어그램 D' 불연속성 MgSiO3 D층의 존재를 설명하고 온도를 계산할 수 있게 해줍니다. 낮 길이의 변화를 설명합니다. MgSiO3 층 D"는 지구가 냉각됨에 따라 페로브스카이트 이후 성장합니다. D"는 수성과 화성에 존재하지 않습니다. 새로운 광물군 예측 확인 – Tschauner(2008)
67. 물질의 구조는 세상을 이해하는 열쇠이다 4. 행성 내부에 대한 이해가 깊어지고 있다 3. 컴퓨터가 새로운 물질을 예측하는 법을 배우고 있다 2. 이미 결정 구조를 예측하는 것이 가능하다1. 구조는 속성을 정의합니다
68. 감사의 말씀: 제 학생, 대학원생, 박사후 연구원:A. Lyakhov Y. Ma S.E. 불펠펠 C.W. Glass Q. Zhu Y. Xie 다른 연구실의 동료: F. Zhang(호주 퍼스) C. Gatti(이탈리아 U. 밀라노) G. Gao(중국 길림 대학교) A. Bergara(스페인 바스크 지방 U.) I. Errea(스페인 미국 바스크 지방) M. Martinez-Canales(영국 UCL) C. Hu(중국 구이린) M. Salvado & P. Pertierra(스페인 오비에도) V.L. Solozhenko (파리) D.Yu. 푸쉬차로프스키, V.V. Brazhkin(모스크바) USPEX 프로그램 사용자(>1000명) - http://han.ess.sunysb.edu/~USPEX

— 신소재의 컴퓨터 설계를 이해해 봅시다. 우선, 그것은 무엇입니까? 지식의 영역? 아이디어와 이러한 접근 방식은 언제 발생합니까?

— 이 지역은 아주 새로운 지역으로, 생긴 지 불과 몇 년 밖에 안 됐어요. 신소재의 컴퓨터 설계 자체는 수십 년 동안 연구자, 기술자, 기초 과학자들의 꿈이었습니다. 필요한 특성을 지닌 새로운 재료를 발견하는 과정은 일반적으로 전체 연구소와 실험실에서 수년 또는 수십 년의 작업이 필요하기 때문입니다. 이는 매우 비용이 많이 드는 과정이므로 최종적으로는 실망할 수도 있습니다. 즉, 항상 그러한 자료를 만들 수 있는 것은 아닙니다. 그러나 성공하더라도 성공하려면 수년간의 노력이 필요할 수 있습니다. 이것은 지금 우리에게 전혀 적합하지 않습니다. 우리는 가능한 한 빨리 새로운 재료, 새로운 기술을 발명하고 싶습니다.

— 발명할 수 없거나 발명할 수 없는 물질의 예를 들어주실 수 있나요?

- 물론이지. 예를 들어, 수십 년 동안 사람들은 다이아몬드보다 단단한 물질을 찾으려고 노력해 왔습니다. 이 주제에 관해 수백 권의 출판물이 나왔습니다. 그들 중 일부에서는 다이아몬드보다 단단한 물질이 발견되었다고 주장했지만, 일정 시간이 지난 후(보통 그리 많지는 않음) 필연적으로 이러한 주장은 반박되었고 그것은 환상이었다는 것이 밝혀졌습니다. 지금까지 그러한 자료는 발견되지 않았으며 그 이유는 완전히 분명합니다. 우리의 방법을 사용하여 이것이 근본적으로 불가능하므로 시간을 낭비할 이유가 없다는 것을 보여줄 수 있었습니다.

- 그리고 간단하게 설명하려고 하면 왜 안되죠?

— 경도와 같은 특성은 특정 재료에 대해 유한한 한계를 갖습니다. 우리가 취할 수 있는 모든 자료를 종합해보면 일종의 글로벌 상한선이 있다는 것이 밝혀졌습니다. 이 상한선은 다이아몬드에 해당합니다. 왜 다이아몬드인가? 이 구조에서는 매우 강한 화학 결합, 매우 높은 밀도의 화학 결합, 공간에 고르게 분포 등 여러 조건이 동시에 충족되기 때문입니다. 한 방향이 다른 방향보다 훨씬 더 단단한 것은 없으며 모든 방향에서 매우 단단한 물질입니다. 예를 들어 동일한 흑연은 다이아몬드보다 더 강한 결합을 가지고 있지만 이 결합은 모두 동일한 평면에 위치하며 매우 약한 결합이 평면 사이에서 상호 작용하며 이러한 약한 방향은 결정 전체를 부드럽게 만듭니다.

— 이 방법은 어떻게 개발되었으며 과학자들은 이를 개선하기 위해 어떻게 노력했습니까?

- 내 생각에 위대한 에디슨은 백열 전구 발명과 관련하여 이렇게 말했습니다. “나는 만 번 실패한 것이 아니라 작동하지 않는 만 가지 방법을 발견했을 뿐입니다.” 이것은 과학 문헌에서 에디슨학(Edisonian)이라고 불리는 새로운 재료를 찾는 전통적인 스타일입니다. 그리고 물론 사람들은 항상 이 방법에서 벗어나기를 원했습니다. 왜냐하면 이 방법에는 보기 드문 에디슨식 행운과 에디슨식 인내심이 필요하기 때문입니다. 그리고 돈뿐만 아니라 많은 시간도 있습니다. 이 방법은 별로 과학적이지 않으며 오히려 과학적인 "찌르기"에 가깝습니다. 그리고 사람들은 항상 이것에서 벗어나고 싶어했습니다. 컴퓨터가 등장하고 다소 복잡한 문제를 해결하기 시작했을 때 다음과 같은 질문이 즉시 발생했습니다. “다양한 조건, 온도, 압력, 화학적 전위, 화학적 조성의 이러한 모든 조합을 컴퓨터에서 분류하는 대신 컴퓨터에서 분류하는 것이 가능합니까? 실험실이요?” 처음에는 기대가 매우 컸습니다. 사람들은 이것을 조금 낙관적이고 기쁜 마음으로 바라봤지만, 곧 이 모든 꿈은 일상생활에 의해 산산조각이 났습니다. 사람들이 문제를 해결하려고 시도한 방법으로는 원칙적으로 아무것도 달성할 수 없습니다.

- 왜?

- 결정 구조에는 다양한 원자 배열에 대한 옵션이 무한히 많고 각각은 완전히 다른 특성을 갖기 때문입니다. 예를 들어, 다이아몬드와 흑연은 동일한 물질이지만 구조가 다르기 때문에 그 특성이 근본적으로 다릅니다. 따라서 다이아몬드와 흑연과는 다른 옵션이 무한히 많을 수 있습니다. 어디서부터 시작하나요? 어디에서 멈출 것인가? 이것이 얼마나 오래 지속됩니까? 그리고 화학적 조성의 변수도 도입한다면 무한한 수의 다양한 화학적 조성을 생각해 낼 수 있으며 작업은 참을 수 없을 정도로 어려워집니다. 사람들은 이 문제를 해결하기 위한 전통적인 표준 방법이 전혀 아무 것도 없다는 것을 매우 빨리 깨달았습니다. 이러한 비관주의는 사람들이 60년대부터 품어왔던 최초의 희망을 완전히 묻어버렸습니다.

— 컴퓨터 디자인은 여전히 시각적인 것으로 생각되거나 적어도 느껴집니다. 내가 이해하는 바에 따르면 60년대, 70년대, 80년대에는 이 결정이 시각적인 것이 아니라 수학적, 즉 더 빠른 계산, 계산이었습니다.

— 아시다시피 컴퓨터에서 숫자를 얻으면 언제든지 시각화할 수 있지만 그게 전부는 아닙니다.

- 일반적으로 이는 이를 수행할 수 있는 기술의 준비 여부에 대한 문제일 뿐입니다.

- 예. 숫자 계산이 기본입니다. 숫자를 사용하면 항상 그림을 만들 수 있고, 그림을 사용하면 숫자도 정확하지는 않지만 아마도 그럴 수 있기 때문입니다. 80년대 중반부터 90년대 중반까지 우리 분야에 마침내 비관론을 심어준 유명한 출판물이 여럿 있었습니다. 예를 들어, 흑연이나 얼음과 같은 단순한 물질조차도 예측이 절대 불가능하다는 훌륭한 출판물이 있었습니다. 또는 “결정 구조가 예측 가능합니까”라는 기사가 있었는데 그 기사의 첫 번째 단어는 “아니오”였습니다.

— "예측 가능"이란 무엇을 의미합니까?

— 결정구조를 예측하는 일은 신소재 설계 전 분야의 핵심이다. 구조는 물질의 성질을 결정하므로, 원하는 성질을 갖는 물질을 예측하기 위해서는 조성과 구조를 예측하는 것이 필요하다. 결정 구조를 예측하는 문제는 다음과 같이 공식화될 수 있습니다. 화학적 조성을 지정했다고 가정하고 그것이 고정되어 있다고 가정합니다(예: 탄소). 주어진 조건에서 가장 안정적인 탄소 형태는 무엇입니까? 정상적인 조건에서 우리는 답을 알고 있습니다. 그것은 흑연이 될 것입니다. 고압에서는 답도 알고 있습니다. 바로 다이아몬드입니다. 그러나 이를 제공할 수 있는 알고리즘을 만드는 것은 매우 어려운 작업임이 드러납니다. 아니면 다른 방식으로 문제를 공식화할 수도 있습니다. 예를 들어, 동일한 탄소의 경우 이 화학 조성에 해당하는 가장 단단한 구조는 무엇입니까? 그것은 다이아몬드로 밝혀졌습니다. 이제 또 다른 질문을 해보겠습니다. 가장 밀도가 높은 것은 무엇입니까? 그것은 또한 다이아몬드인 것 같지만 그렇지 않습니다. 적어도 컴퓨터에서는 다이아몬드보다 밀도가 높은 탄소 형태를 발명할 수 있으며 원칙적으로는 합성이 가능하다는 것이 밝혀졌습니다. 게다가 그러한 가상의 형태도 많이 있습니다.

- 그래도요?

- 그래도요. 하지만 다이아몬드보다 더 어려운 것은 없습니다. 사람들은 최근에야 이러한 종류의 질문에 답하는 방법을 배웠습니다. 최근에는 알고리즘이 등장했고 이를 수행할 수 있는 프로그램이 등장했습니다. 실제로 이 연구 분야 전체가 2006년 우리 연구와 연관이 있는 것으로 드러났다. 이후 많은 다른 연구자들도 이 문제를 연구하기 시작했습니다. 일반적으로 우리는 여전히 손바닥을 놓치지 않고 점점 더 많은 새로운 방법, 새롭고 새로운 재료를 생각해냅니다.

- "우리는 누구입니까?

— 저와 제 학생, 대학원생, 연구조교입니다.

— 분명히 하자면, “우리”는 매우 다의미적이기 때문에, 이 경우에는 다의미적이므로 다른 방식으로 인식될 수 있습니다. 뭐가 그렇게 혁명적이야?

“사실 사람들은 이 문제가 무한히 복잡한 조합 문제와 연관되어 있다는 것을 깨달았습니다. 즉, 가장 좋은 것을 선택해야 하는 옵션의 수가 무한하다는 것입니다. 이 문제는 어떻게 해결될 수 있나요? 안 돼요. 당신은 그녀에게 접근하지 않고 편안함을 느낄 수 있습니다. 그러나 우리는 이 문제를 매우 효과적으로 해결할 수 있는 방법, 즉 진화에 기반한 방법을 찾았습니다. 이것은 처음에는 약한 솔루션에서 연속적인 개선 방법을 통해 점점 더 완벽한 솔루션에 도달하는 연속 근사 방법이라고 말할 수 있습니다. 이것이 인공지능의 방식이라고 할 수 있다. 수많은 가정을 하는 인공지능은 그 중 일부를 거부하고 가장 그럴듯하고 가장 흥미로운 구조와 구성을 바탕으로 훨씬 더 흥미로운 가정을 구성합니다. 즉, 자신의 역사를 통해 학습하므로 인공지능이라고 부를 수 있다.

— 구체적인 예를 사용하여 어떻게 발명하고 새로운 재료를 생각해 내는지 이해하고 싶습니다.

- 이를 탄소의 예를 들어 설명해보자. 어떤 형태의 탄소가 가장 어려운지 예측하고 싶습니다. 소수의 무작위 탄소 구조가 지정됩니다. 일부 구조는 풀러렌과 같은 개별 분자로 구성됩니다. 일부 구조는 흑연과 같은 층으로 구성됩니다. 일부는 소위 카빈총이라고 불리는 탄소 사슬로 구성됩니다. 일부는 다이아몬드처럼 3차원적으로 연결될 것입니다(그러나 다이아몬드뿐만 아니라 그러한 구조는 무한히 많습니다). 먼저 이러한 종류의 구조를 무작위로 생성한 다음 로컬 최적화 또는 "이완"이라고 부르는 작업을 수행합니다. 즉, 원자에 가해지는 힘이 0이 될 때까지, 구조의 모든 응력이 사라질 때까지, 원자가 이상적인 형태에 도달하거나 최상의 국지적 형태를 얻을 때까지 원자를 움직입니다. 그리고 이 구조에 대해 경도와 같은 속성을 계산합니다. 풀러렌의 경도를 살펴보겠습니다. 강한 결합이 있지만 분자 내에서만 가능합니다. 분자 자체는 서로 매우 약하게 연결되어 있기 때문에 경도가 거의 0입니다. 흑연을 보세요. 같은 이야기입니다. 층 내부의 결합은 강하고 층 사이는 약하며 결과적으로 물질이 매우 쉽게 분해되고 경도가 매우 낮습니다. 풀러렌, 카빈총, 흑연과 같은 물질은 매우 부드러워서 즉시 거부됩니다. 나머지 탄소 구조는 3차원적으로 연결되어 있으며 3차원 모두에서 강한 결합을 갖고 있습니다. 이러한 구조에서 우리는 가장 단단한 것을 선택하여 딸 구조를 생성할 수 있는 기회를 제공합니다. 그것은 어떻게 생겼나요? 우리는 하나의 구조를 취하고, 다른 구조를 취하고, 조각을 잘라내고, 조립 세트처럼 조립하고, 다시 휴식을 취합니다. 즉, 모든 긴장이 사라질 수 있는 기회를 제공합니다. 돌연변이가 있습니다. 이것은 부모로부터 자손을 생산하는 또 다른 방법입니다. 우리는 가장 단단한 구조 중 하나를 선택하여 변형시킵니다. 예를 들어 엄청난 전단 응력을 적용하여 일부 결합이 단순히 터지고 다른 결합이 새로운 구조로 형성됩니다. 또는 시스템에서 이러한 약점을 제거하기 위해 구조의 가장 약한 방향으로 원자를 이동시킵니다. 이러한 방식으로 생성된 모든 구조를 완화합니다. 즉, 내부 응력을 제거한 후 속성을 다시 평가합니다. 우리는 단단한 구조를 취하고 변형시켜 부드러워지고 예를 들어 흑연으로 변했습니다. 우리는 그러한 구조를 즉시 제거합니다. 그리고 그 힘든 것 속에서 우리는 다시 '아이'를 낳는다. 그래서 우리는 세대를 거쳐 단계적으로 반복합니다. 그리고 충분히 빨리 우리는 다이아몬드에 도달합니다.

— 동시에 우리가 거부하고, 비교하고, 연결하고, 구조를 바꾸는 순간은 인공지능이, 프로그램이 하는 걸까요? 인간이 아니지?

- 프로그램이 이런 일을 합니다. 이렇게 하면 우리는 Kashchenko에 이르게 될 것입니다. 왜냐하면 이것은 사람이 할 필요가 없는 엄청난 수의 작업이고 완전히 과학적인 이유 때문입니다. 당신은 사람이 태어나고 주변 세계의 경험을 흡수하며 이 경험으로 인해 일종의 편견이 생긴다는 것을 이해합니다. 우리는 대칭 구조를 봅니다. "이거 좋아요"라고 말합니다. 우리는 비대칭을 봅니다. "이건 나쁘다"고 말합니다. 그러나 자연의 경우 때로는 그 반대가 발생합니다. 우리의 방법은 인간의 주관성과 편견으로부터 자유로워야 합니다.

— 원칙적으로 이 과제는 기초 과학이 아니라 일반 다국적 기업이 설정한 매우 구체적인 문제를 해결함으로써 공식화된다는 점을 귀하가 설명한 내용으로 올바르게 이해하고 있습니까? 따라서 점성이 더 높고 밀도가 높거나 반대로 액체가 더 많은 새로운 시멘트가 필요합니다.

- 별말씀을요. 사실 내 교육은 기초과학에서 나왔고, 응용과학이 아닌 기초과학을 공부했습니다. 저는 이제 응용 문제를 해결하는 데 관심이 있습니다. 특히 제가 발명한 방법론이 매우 넓은 범위의 가장 중요한 응용 문제에 적용 가능하기 때문입니다. 하지만 처음에는 이 방법이 근본적인 문제를 해결하기 위해 고안되었습니다.

- 어떤 종류의?

— 저는 오랫동안 물리학과 고압화학을 공부해왔습니다. 이것은 실험적으로 많은 흥미로운 발견이 이루어진 영역입니다. 그러나 실험은 복잡하며 시간이 지남에 따라 실험 결과가 잘못된 것으로 판명되는 경우가 많습니다. 실험은 비용이 많이 들고 노동 집약적입니다.

- 예를 들어보세요.

— 예를 들어, 오랫동안 소련과 미국 과학자들 사이에 경쟁이 있었습니다. 누가 압력을 받아 최초의 금속 수소를 얻을 것인가 하는 것이었습니다. 그런 다음 예를 들어 압력을받는 많은 단순한 요소가 (이것은 연금술 적 변형) 전이 금속이된다는 것이 밝혀졌습니다. 예를 들어 칼륨을 예로 들면, 칼륨은 원자가 껍질에 단 하나의 s-전자만을 갖고 있으므로 압력을 받으면 d-원소가 됩니다. s 오비탈은 비어 있고, 비어 있는 d 오비탈은 해당 단일 전자로 채워져 있습니다. 그리고 이것은 전이 금속이 된 칼륨이 예를 들어 액체 철에 들어갈 기회를 얻기 때문에 매우 중요합니다. 왜 중요 함? 이제 우리는 소량의 칼륨이 지구 핵심의 일부이며 그곳에서 열원이라고 믿기 때문입니다. 사실 칼륨 동위원소(방사성 칼륨-40) 중 하나는 오늘날 지구상의 주요 열 생산자 중 하나입니다. 칼륨이 지구 핵에 들어 가지 않으면 지구 생명체의 나이, 자기장의 나이, 지구 핵의 역사 및 기타 많은 흥미로운 것들에 대한 이해를 완전히 바꿔야합니다. 여기에 연금술적 변형이 있습니다. s-요소가 d-요소가 됩니다. 고압에서 물질을 압축할 때 압축에 소비하는 에너지는 조만간 화학 결합 에너지와 원자의 궤도 간 전이 에너지를 초과합니다. 덕분에 원자의 전자 구조와 물질의 화학 결합 유형을 근본적으로 변경할 수 있습니다. 완전히 새로운 유형의 물질이 나타날 수 있습니다. 그리고 그러한 경우에는 표준 화학적 직관이 작동하지 않습니다. 즉, 우리가 화학 수업에서 학교에서 배우는 규칙은 압력이 충분히 큰 값에 도달하면 지옥에갑니다. 우리의 방법을 사용하여 어떤 종류의 것들이 예측되었고 실험적으로 입증되었는지 말씀드릴 수 있습니다. 이 방법이 등장하자 모두에게 충격을 안겼다. 가장 흥미로운 연구 중 하나는 나트륨이라는 원소와 관련된 것이었습니다. 우리는 나트륨이 약 200만 기압의 압력으로 압축되면(그런데 지구 중심의 압력은 거의 400만 기압이고 그러한 압력은 실험적으로 얻을 수 있음) 더 이상 금속이 아닐 것이라고 예측했습니다. , 그러나 유전체, 더욱이 투명하고 붉은 색입니다. 우리가 이 예측을 했을 때 아무도 우리를 믿지 않았습니다. 우리가 이 결과를 보낸 네이처(Nature) 저널은 이 기사를 믿을 수 없다며 심의조차 거부했습니다. 나는 Mikhail Eremets 그룹의 실험자들에게 연락했는데 그들은 이것을 믿는 것이 불가능하다고 말했지만 존경심으로 그들은 여전히 그러한 실험을 수행하려고 노력할 것입니다. 그리고 이 실험은 우리의 예측을 완전히 확인시켜주었습니다. 붕소라는 원소의 새로운 상의 구조가 예측되었습니다. 이는 인류에게 알려진 가장 단단한 물질 중 하나인 이 원소의 가장 단단한 구조입니다. 그리고 서로 다른 붕소 원자는 서로 다른 전하를 가지고 있다는 것이 밝혀졌습니다. 즉, 갑자기 달라지는 것입니다. 일부는 양전하를 띠고 일부는 음전하를 띠고 있습니다. 이 기사는 불과 3년 만에 거의 200번이나 인용되었습니다.

―기본적인 작업이라고 하더군요. 아니면 근본적인 문제를 먼저 해결하고 최근에는 일부 실질적인 문제를 해결합니까? 나트륨 이야기. 무엇을 위해? 즉, 당신은 앉아서 앉아서 무엇을 먹어야할지 생각했습니다. 아마도 나트륨을 섭취하여 200 만 기압으로 압축할까요?

- 꼭 그런 것은 아닙니다. 저는 원소의 화학적 성질을 더 잘 이해하기 위해 고압 하에서 원소의 거동을 연구하는 보조금을 받았습니다. 고압 하에서의 실험 데이터는 여전히 매우 단편적이므로 우리는 압력 하에서 원소와 그 화학이 어떻게 변하는지 이해하기 위해 전체 주기율표를 어느 정도 샅샅이 뒤지기로 결정했습니다. 우리는 특히 압력 하의 산소가 초전도체가 되기 때문에 압력 하의 산소의 초전도 특성에 관한 많은 기사를 발표했습니다. 다른 여러 원소의 경우: 알칼리 원소 또는 알칼리 토류 원소 등. 그러나 아마도 가장 흥미로운 것은 나트륨과 붕소에서 새로운 현상의 발견이었을 것입니다. 이것이 아마도 우리를 가장 놀라게 한 두 가지 요소였을 것입니다. 이것이 우리가 시작한 방법입니다. 그리고 이제 우리는 실질적인 문제를 해결하는 방향으로 나아가 Intel, Samsung, Fujitsu, Toyota, Sony와 같은 회사와 협력하고 있습니다. 내가 아는 한, 토요타는 최근 우리 방법을 이용해 리튬 배터리용 신소재를 개발해 시장에 출시할 예정이다.

— 그들은 당신의 방법과 재료 검색 기술을 사용했지만 당신은 그렇지 않습니까?

- 물론이지. 우리는 스스로를 부담으로 여기지 않고 모든 연구자들에게 도움이 되도록 노력합니다. 우리 프로그램은 그것을 사용하고 싶은 사람이라면 누구나 사용할 수 있습니다. 회사는 프로그램을 사용할 권리를 얻기 위해 일정 금액을 지불해야 합니다. 학술 과학 분야에 종사하는 과학자들은 당사 웹사이트에서 다운로드만 하면 무료로 받을 수 있습니다. 우리 프로그램에는 이미 전 세계적으로 약 2,000명의 사용자가 있습니다. 그리고 우리 사용자들이 좋은 결과를 얻는 것을 볼 때 매우 기쁩니다. 나와 내 그룹은 우리 자신의 발견, 작업, 통찰력을 충분히 갖고 있습니다. 다른 그룹에서도 똑같은 걸 보면 기분이 좋아질 뿐입니다.

이 자료는 러시아 뉴스 서비스 라디오의 PostNauka 라디오 방송을 기반으로 준비되었습니다.

가장 안정적인 구조를 찾는 핵심은 에너지가 가장 낮은 물질의 상태를 계산하는 것입니다. 이 경우 에너지는 연구 중인 결정을 구성하는 원자의 핵과 전자의 전자기적 상호작용에 따라 달라집니다. 단순화된 슈뢰딩거 방정식을 기반으로 한 양자역학적 계산을 사용하여 추정할 수 있습니다. USPEX 알고리즘은 다음과 같이 사용합니다. 밀도 함수 이론, 지난 세기 후반에 발전했습니다. 주요 목적은 분자와 결정의 전자 구조 계산을 단순화하는 것입니다. 이 이론을 사용하면 형식적으로 정확한 상태를 유지하면서 다전자 파동 함수를 전자 밀도로 대체할 수 있습니다(그러나 실제로는 근사치가 불가피합니다). 실제로 이는 계산의 복잡성을 줄이고 결과적으로 계산에 소요되는 시간을 줄여줍니다. 따라서 양자역학적 계산은 USPEX의 진화 알고리즘과 결합됩니다(그림 2). 진화 알고리즘은 어떻게 작동하나요?

무차별 대입을 통해 에너지가 가장 낮은 구조를 검색할 수 있습니다. 원자를 서로 상대적으로 무작위로 배치하고 이러한 각 상태를 분석합니다. 그러나 옵션의 수가 엄청나기 때문에(원자가 10개만 있어도 서로 상대적인 배열 가능성이 약 1000억 개에 달함) 계산에 너무 많은 시간이 걸립니다. 따라서 과학자들은 보다 교묘한 방법을 개발한 후에야 성공할 수 있었습니다. USPEX 알고리즘은 진화적 접근 방식을 기반으로 합니다(그림 2). 먼저, 소수의 구조물이 무작위로 생성되고 에너지가 계산됩니다. 시스템은 에너지가 가장 높은 옵션, 즉 안정성이 가장 낮은 옵션을 제거하고 가장 안정적인 옵션에서 유사한 옵션을 생성하여 계산합니다. 동시에 컴퓨터는 성공적인 진화를 위한 필수 조건인 개체군 다양성을 유지하기 위해 계속해서 무작위로 새로운 구조를 생성합니다.

따라서 생물학에서 가져온 논리는 결정 구조를 예측하는 문제를 해결하는 데 도움이 되었습니다. 새로운 구조가 이전 구조와 매우 다른 매개변수에서 다를 수 있기 때문에 이 시스템에 유전자가 있다고 말하기는 어렵습니다. 선택 조건에 가장 잘 적응한 "개인"은 자손을 남깁니다. 즉, 실수로부터 학습하는 알고리즘은 다음 시도에서 성공할 가능성을 최대화합니다. 시스템은 에너지가 가장 낮은 옵션을 매우 빠르게 찾고 구조 단위(셀)에 수십, 심지어 처음 수백 개의 원자가 포함된 상황을 효과적으로 계산합니다. 반면 이전 알고리즘은 10개도 처리할 수 없었습니다.

MIPT에서 USPEX에 설정된 새로운 업무 중 하나는 아미노산 서열로부터 단백질의 3차 구조를 예측하는 것입니다. 현대 분자 생물학의 이러한 문제는 핵심 문제 중 하나입니다. 일반적으로 과학자들은 단백질과 같은 복잡한 분자의 에너지를 계산하기 어렵기 때문에 매우 어려운 작업에 직면합니다. Artem Oganov에 따르면 그의 알고리즘은 이미 약 40개 아미노산 길이의 펩타이드 구조를 예측할 수 있습니다.

비디오 2. 고분자 및 생체고분자.폴리머는 어떤 물질인가요? 폴리머의 구조는 무엇입니까? 폴리머 재료의 사용은 얼마나 일반적입니까? 결정학 박사 Artem Oganov 교수가 이에 대해 이야기합니다.

USPEX 설명

그의 인기 과학 기사 중 하나에서 Artem Oganov(그림 3)는 USPEX를 다음과 같이 설명합니다.

“여기에 일반적인 아이디어를 보여주는 비유적인 예가 있습니다. 완전한 어둠이 지배하는 미지의 행성 표면에서 가장 높은 산을 찾아야 한다고 상상해 보세요. 자원을 절약하려면 완전한 구호 지도가 아니라 가장 높은 지점만 필요하다는 점을 이해하는 것이 중요합니다.

그림 3. Artem Romaevich Oganov

당신은 행성에 작은 힘의 바이오 로봇을 착륙시켜 무작위 장소로 하나씩 보냅니다. 각 로봇이 따라야 하는 지시는 중력 인력에 맞서 표면을 따라 걷고 결국 가장 가까운 언덕 꼭대기에 도달하는 것이며, 그 좌표는 궤도 기지에 보고해야 합니다. 우리는 대규모 연구 파견단을 위한 자금이 없으며 로봇 중 하나가 즉시 가장 높은 산에 올라갈 가능성은 극히 적습니다. 이는 러시아 군사 과학의 잘 알려진 원칙인 "숫자가 아닌 기술로 싸우십시오"를 적용할 필요가 있음을 의미하며, 이는 여기에서 진화론적 접근 방식의 형태로 구현됩니다. 가장 가까운 이웃의 방향을 취하여 로봇은 자신의 종류를 만나고 재생산하여 "그들의" 꼭지점 사이의 선을 따라 배치합니다. 바이오 로봇의 자손은 동일한 지시를 수행하기 시작합니다. 그들은 구호 높이 방향으로 이동하여 "부모"의 두 봉우리 사이의 영역을 탐색합니다. 평균 수준보다 낮은 정점을 만난 "개인"은 회상되고(선택이 수행되는 방식) 무작위로 다시 드롭됩니다(인구의 "유전적 다양성" 유지가 모델링되는 방식).

USPEX가 운영되는 불확실성을 어떻게 추정합니까? 미리 알려진 정답으로 문제를 풀고, 알고리즘을 사용해 100회 독립적으로 풀 수 있습니다. 99번의 경우에 정답을 얻었다면 계산오류 확률은 1%가 된다. 일반적으로 단위 셀의 원자 수가 40개일 때 98~99%의 확률로 정확한 예측을 얻을 수 있습니다.

진화적인 USPEX 알고리즘은 많은 흥미로운 발견을 가져왔고 심지어는 아래에서 논의할 새로운 제형의 약물 개발로 이어졌습니다. 차세대 슈퍼컴퓨터가 등장하면 어떤 일이 일어날지 궁금합니다. 결정 구조를 예측하는 알고리즘이 급격하게 바뀔까요? 예를 들어 일부 과학자들은 양자 컴퓨터를 개발하고 있습니다. 미래에는 가장 진보된 현대 기술보다 훨씬 더 효과적일 것입니다. Artem Oganov에 따르면 진화 알고리즘은 선두 위치를 유지하지만 더 빠르게 작동하기 시작할 것입니다.

연구실 업무 분야: 열전부터 약물까지

USPEX는 효과적인 알고리즘일 뿐만 아니라 다기능적인 것으로 밝혀졌습니다. 현재 Artem Oganov의 지도 하에 다양한 분야에서 많은 과학 연구가 진행되고 있습니다. 최신 프로젝트 중 일부에는 새로운 열전 재료를 모델링하고 단백질 구조를 예측하려는 시도가 포함됩니다.

“우리는 여러 프로젝트를 진행하고 있는데 그 중 하나는 나노입자, 표면 물질, 또 다른 하나는 고압에서 화학 물질을 연구하는 것입니다. 새로운 열전재료 예측과 관련된 흥미로운 프로젝트도 있다. 이제 우리는 우리가 생각해낸 결정 구조 예측 방법을 열전 문제에 적용하는 것이 효과적으로 작동한다는 것을 이미 알고 있습니다. 현재 우리는 새로운 열전재료를 발견할 수 있는 큰 돌파구를 마련하고 있습니다. 열전을 위해 우리가 만든 방법이 매우 강력하고 수행된 테스트가 성공적이라는 것은 이미 분명합니다. 그리고 우리는 새로운 자료를 찾을 준비가 완전히 되어 있습니다. 새로운 고온 초전도체의 예측과 연구에도 참여하고 있습니다. 우리는 단백질의 구조를 예측하는 문제를 스스로에게 묻습니다. 이것은 우리에게 새로운 과제이자 매우 흥미로운 과제입니다.”

흥미롭게도 USPEX는 이미 의학 분야에도 이점을 가져왔습니다. “또한 우리는 새로운 의약품을 개발하고 있습니다. 특히, 신약을 예측, 획득, 특허를 취득하였으며,-A.R이 말합니다. Oganov. - 다발성경화증 치료제인 4-아미노피리딘수화물입니다.".

우리는 최근 Valery Roizen(그림 4), Anastasia Naumova 및 Artem Oganov가 특허를 취득한 다발성 경화증의 증상 치료를 가능하게 하는 약물에 대해 이야기하고 있습니다. 특허가 공개되어 약가를 낮추는 데 도움이 될 것입니다. 다발성 경화증은 만성 자가면역 질환, 즉 자신의 면역 체계가 숙주에 해를 끼칠 때 발생하는 병리 중 하나입니다. 이는 일반적으로 전기 절연 기능을 수행하는 신경 섬유의 수초를 손상시킵니다. 이는 뉴런의 정상적인 기능에 매우 중요합니다. 전류는 미엘린으로 덮인 신경 세포의 파생물을 통해 코팅되지 않은 신경 세포를 통과하는 것보다 5~10배 더 빠르게 흐릅니다. 따라서 다발성 경화증은 신경계 기능 장애를 유발합니다.

다발성 경화증의 근본적인 원인은 아직 불분명합니다. 전 세계의 많은 실험실에서 이를 이해하려고 노력하고 있습니다. 러시아에서는 생물유기화학연구소(Institute of Bioorganic Chemistry)의 생체촉매 연구실에서 이 작업을 수행합니다.

그림 4. Valery Roizen은 다발성 경화증 치료제 특허 작성자 중 한 명입니다.컴퓨터 재료 설계 연구실 직원으로, 새로운 의약품 제형을 개발하고 과학 대중화에 적극적으로 참여하고 있습니다.

영상 3. 발레리 로이젠의 인기 과학 강연 '맛있는 크리스탈'.약물이 작용하는 원리, 인체에 약물을 전달하는 형태의 중요성, 아스피린의 사악한 쌍둥이 형제에 대해 배우게 됩니다.

이전에는 4-아미노피리딘이 이미 임상에서 사용되었지만 과학자들은 화학적 구성을 변경하여 이 약의 혈액 흡수를 향상시킬 수 있었습니다. 그들은 화학양론이 1:5인 결정질 4-아미노피리딘 수화물(그림 5)을 얻었습니다. 이 형태에서는 약 자체와 그 제조 방법이 특허를 받았습니다. 이 물질은 신경근 시냅스에서 신경 전달 물질의 방출을 향상시켜 다발성 경화증 환자의 기분을 좋게 만듭니다. 이 메커니즘에는 증상 치료가 포함되지만 질병 자체는 포함되지 않는다는 점은 주목할 가치가 있습니다. 생체이용률 외에도 이번 개발의 기본 포인트는 4-아미노피리딘을 결정에 '봉입'하는 것이 가능해 의학적으로 사용하기 더욱 편리해졌다는 점이다. 결정질 물질은 정제되고 균질한 형태로 비교적 쉽게 얻을 수 있으며, 잠재적으로 유해한 불순물이 없는 약물은 좋은 약물의 핵심 기준 중 하나입니다.

새로운 화학 구조의 발견

위에서 언급한 것처럼 USPEX를 사용하면 새로운 화학 구조를 찾을 수 있습니다. “습관적인” 탄소에도 그 신비가 있다는 것이 밝혀졌습니다. 탄소는 초경질 유전체부터 연질 반도체, 심지어 초전도체에 이르기까지 광범위한 구조를 형성하기 때문에 매우 흥미로운 화학 원소입니다. 첫 번째는 다이아몬드와 론스달라이트, 두 번째는 흑연, 세 번째는 저온의 일부 풀러렌을 포함합니다. 탄소의 다양한 형태가 알려져 있음에도 불구하고 Artem Oganov가 이끄는 과학자들은 근본적으로 새로운 구조를 발견했습니다. 이전에는 탄소가 "게스트-호스트" 복합체를 형성할 수 있다는 것이 알려지지 않았습니다(그림 6). 컴퓨터 재료 설계 연구소 직원도 작업에 참여했습니다(그림 7).

그림 7. MIPT 대학원생이자 재료 컴퓨터 설계 연구소의 직원이자 새로운 탄소 구조 발견의 저자 중 한 명인 Oleg Feya. 여가 시간에 Oleg는 과학 대중화에 참여하고 있습니다. 그의 기사는 "Schrödinger 's Cat", "For Science", STRF.ru, "Rosatom Country"간행물에서 읽을 수 있습니다. 또한 Oleg는 모스크바의 우승자입니다. 사이언스 슬램 TV 쇼 "The Smartest"의 참가자입니다.

예를 들어 호스트-게스트 상호 작용은 비공유 결합으로 서로 연결된 분자로 구성된 복합체에서 발생합니다. 즉, 특정 원자/분자는 결정 격자의 특정 위치를 차지하지만 주변 화합물과 공유 결합을 형성하지 않습니다. 이러한 행동은 서로 결합하여 우리 몸에서 다양한 기능을 수행하는 강력하고 큰 복합체를 형성하는 생물학적 분자 사이에 널리 퍼져 있습니다. 일반적으로 두 가지 유형의 구조 요소로 구성된 연결을 의미합니다. 탄소로만 구성된 물질의 경우 그러한 형태는 알려져 있지 않습니다. 과학자들은 2014년에 14번째 화학 원소 그룹의 특성과 거동에 대한 지식을 확장하는 발견을 발표했습니다.(그림 8) 개방형 탄소에서 원자 사이에 공유 결합이 형성된다는 점은 주목할 가치가 있습니다. 우리는 완전히 다른 구조적 환경을 갖는 명확하게 정의된 두 가지 유형의 탄소 원자가 존재하기 때문에 게스트-호스트 유형에 대해 이야기하고 있습니다.

새로운 고압 화학

컴퓨터 지원 재료 설계 실험실에서는 어떤 물질이 고압에서 안정할지 연구합니다. 실험실 장이 그러한 연구에 대한 관심을 주장하는 방법은 다음과 같습니다. “우리는 높은 압력 하에서 재료, 특히 그러한 조건에서 나타나는 새로운 화학을 연구합니다. 이것은 전통적인 규칙에 맞지 않는 매우 특이한 화학입니다. 새로운 화합물에 대해 얻은 지식은 행성 내부에서 일어나는 일에 대한 이해로 이어질 것입니다. 왜냐하면 이러한 특이한 화학물질이 행성 내부에서 매우 중요한 물질로 나타날 수 있기 때문입니다.”고압에서 물질이 어떻게 작용할지 예측하는 것은 어렵습니다. 대부분의 화학 규칙은 이러한 조건이 우리가 익숙했던 것과 너무 다르기 때문에 작동을 멈춥니다. 그럼에도 불구하고, 우주가 어떻게 작동하는지 알고 싶다면 이것을 이해해야 합니다. 우주에서 중입자 물질의 대부분은 행성, 별, 위성 내부에서 높은 압력을 받고 있습니다. 놀랍게도 아직 그 화학적 성질에 대해서는 알려진 바가 거의 없습니다.

MIPT의 컴퓨터 재료 설계 연구소에서 고압에서 실현되는 새로운 화학은 PhD(과학 후보자와 유사한 학위) Gabriele Saleh에 의해 연구되고 있습니다.

“저는 화학자이고 고압 화학에 관심이 있습니다. 왜? 왜냐하면 우리는 100년 전에 공식화된 화학 규칙을 가지고 있지만 최근에 그것이 고압에서는 작동을 멈춘다는 것이 밝혀졌기 때문입니다. 그리고 이것은 매우 흥미롭습니다! 마치 놀이공원과 같습니다. 누구도 설명할 수 없는 현상이 있습니다. 새로운 현상을 탐구하고 그것이 왜 일어나는지 이해하려고 노력하는 것은 매우 흥미로운 일입니다. 우리는 기본적인 것들로 대화를 시작했습니다. 그러나 현실 세계에도 높은 압력이 존재합니다. 물론 이 방이 아니라 지구 안이나 다른 행성에서요." .

저는 화학자이기 때문에 고압 화학에 관심이 있습니다. 왜? 왜냐하면 우리는 100년 전에 확립된 화학적 규칙을 가지고 있지만 최근에 이러한 규칙이 고압에서 깨지는 것이 발견되었기 때문입니다. 그리고 그것은 매우 흥미 롭습니다! 누구도 합리화할 수 없는 현상이 있기 때문에 이것은 루노파크와 같습니다. 새로운 현상을 연구하고 그것이 왜 일어나는지 이해하려고 노력하는 것은 흥미롭습니다. 우리는 근본적인 관점에서 시작했습니다. 그러나 이러한 높은 압력이 존재합니다. 물론 이 방이 아니라 지구 내부와 다른 행성에 있습니다.

그림 9. 탄산(H 2 CO 3) - 압력에 안정적인 구조. 위의 삽입에서그것은 함께 표시됩니다 C축고분자 구조가 형성됩니다. 고압에서 탄소-산소-수소 시스템을 연구하는 것은 행성이 어떻게 작동하는지 이해하는 데 매우 중요합니다. H 2 O(물)와 CH 4(메탄)는 압력이 수백 GPa에 달하는 해왕성과 천왕성과 같은 일부 거대 행성의 주요 구성 요소입니다. 대형 얼음 위성(가니메데, 칼리스토, 타이탄)과 혜성에도 물, 메탄, 이산화탄소가 포함되어 있어 최대 수 GPa의 압력을 받습니다.

Gabriele은 최근 출판이 승인된 그의 새로운 작품에 대해 우리에게 말했습니다.

“가끔 기초 과학을 하다 보면 자신이 얻은 지식을 직접적으로 적용할 수 있는 방법을 발견하게 됩니다. 예를 들어, 우리는 최근 고압에서 탄소, 수소, 산소로부터 생성된 모든 안정한 화합물에 대한 검색 결과를 설명하는 논문을 출판용으로 제출했습니다. 1GPa 등 매우 낮은 압력에서도 안정적인 것을 찾았습니다. , 그리고 그것은 탄산 H 2 CO 3 로 밝혀졌습니다(그림 9). 나는 천체물리학 문헌을 연구하여 가니메데와 칼리스토(목성의 위성) 달이 물과 이산화탄소, 즉 탄산을 형성하는 분자로 이루어져 있다는 사실을 발견했습니다. 따라서 우리는 우리의 발견이 그곳에서 탄산의 형성을 암시한다는 것을 깨달았습니다. 이것이 바로 내가 말하고자 했던 것입니다. 모든 것은 기초 과학에서 시작하여 위성과 행성 연구에 중요한 것으로 끝났습니다." .

그러한 압력은 원칙적으로 우주에서 발견될 수 있는 압력에 비해 낮지만 지구 표면에서 우리에게 작용하는 압력에 비해 높은 것으로 나타났습니다.

따라서 때로는 기초 과학을 위해 무언가를 공부하다가 그것이 올바른 적용이 있다는 것을 발견하게 됩니다. 예를 들어, 우리는 고압에서 탄소, 수소, 산소를 채취하여 모든 안정한 화합물을 찾으려고 노력한 논문을 방금 제출했습니다. 우리는 탄산인 것을 발견했는데 그것은 1기가파스칼과 같은 매우 낮은 압력에서도 안정적이었습니다. 나는 천체 물리학 문헌을 조사한 결과 가니메데나 칼리스토와 같은 위성이 있다는 사실을 발견했습니다. 그 위에는 이산화탄소와 물이 있습니다. 이 탄산을 형성하는 분자. 그래서 우리는 이 발견이 아마도 탄산이 있을 것이라는 것을 의미한다는 것을 깨달았습니다. 이것이 바로 기초과학을 위해 시작했고, 행성과학에 적용할 수 있는 것을 발견한다는 의미입니다.

제시될 수 있는 특이한 화학의 또 다른 예는 일반적인 식탁용 소금인 NaCl과 관련됩니다. 소금통에 350GPa의 압력을 생성할 수 있다면 새로운 연결을 얻을 수 있다는 것이 밝혀졌습니다. 2013년에는 A.R. Oganov는 NaCl에 고압이 가해지면 NaCl 7 (그림 10) 및 Na 3 Cl과 같은 특이한 화합물이 안정된다는 것을 보여주었습니다. 흥미롭게도 발견된 물질의 대부분은 금속입니다. Gabriele Saleh와 Artem Oganov는 고압 하에서 염화나트륨의 특이한 거동을 보여주고 알칼리 금속 할로겐 화합물의 특성을 예측하는 데 사용할 수 있는 이론적 모델을 개발하는 선구적인 작업을 계속했습니다.

그들은 이러한 특이한 조건에서 이러한 물질이 준수하는 규칙을 설명했습니다. USPEX 알고리즘을 사용하여 공식 A 3 Y(A = Li, Na, K; Y = F, Cl, Br)를 갖는 여러 화합물에 이론적으로 최대 350 GPa의 압력이 가해졌습니다. 이로 인해 -2 산화 상태의 염화물 이온이 발견되었습니다. "표준" 화학에서는 이를 금지합니다. 이러한 조건 하에서, 예를 들어 화학식 Na 4 Cl 3을 사용하는 새로운 물질이 형성될 수 있습니다.

그림 10. 일반염인 NaCl의 결정구조( 왼쪽) 및 특이한 화합물 NaCl 7 ( 오른쪽에), 압력 하에서 안정적입니다.

화학에는 새로운 규칙이 필요합니다

Gabriele Saleh(그림 11)는 표준 조건 하에서 예측력을 가질 뿐만 아니라 고압 하에서 물질의 거동과 특성을 설명하는 새로운 화학 규칙을 설명하기 위한 그의 연구에 대해 말했습니다(그림 12).

그림 11. 가브리엘 살레

“2~3년 전 Oganov 교수는 고압에서 NaCl과 같은 단순한 염이 그렇게 단순하지 않다는 사실을 발견했습니다. 나트륨과 염소는 다른 화합물을 형성할 수 있습니다. 하지만 그 이유를 아는 사람은 아무도 없었습니다. 과학자들은 계산을 수행하고 결과를 받았지만 왜 모든 일이 이런 식으로 일어나고 그렇지 않으면 발생하는지 알 수 없었습니다. 나는 대학원 때부터 화학 결합을 연구해 왔으며, 연구 과정에서 무슨 일이 일어나고 있는지 논리적으로 설명하는 몇 가지 규칙을 공식화할 수 있었습니다. 나는 그러한 화합물에서 전자가 어떻게 행동하는지 연구하고 고압 하에서 전자의 특징인 일반적인 패턴을 발견했습니다. 이러한 규칙이 내 상상의 산물인지 아니면 여전히 객관적으로 올바른지 확인하기 위해 유사한 화합물(LiBr 또는 NaBr 및 기타 유사한 화합물)의 구조를 예측했습니다. 그리고 실제로 일반적인 규칙을 따릅니다. 간단히 말해서, 이러한 화합물에 압력을 가하면 2차원 금속 구조를 형성한 다음 1차원 금속 구조를 형성하는 경향이 있음을 확인했습니다. 그런 다음 매우 높은 압력에서 염소의 산화 상태가 -2가 되므로 더 이상한 일이 일어나기 시작합니다. 모든 화학자들은 염소의 산화 상태가 -1이라는 것을 알고 있습니다. 이것은 전형적인 교과서 예입니다. 나트륨은 전자를 잃고 염소는 전자를 얻습니다. 따라서 산화수는 각각 +1과 -1이다. 그러나 높은 압력에서는 상황이 그런 식으로 작동하지 않습니다. 우리는 화학 결합을 분석하기 위해 여러 가지 접근법을 사용하여 이를 보여주었습니다. 또한 작업 중에 이미 그러한 패턴을 관찰한 사람이 있는지 확인하기 위해 전문 문헌을 찾았습니다. 그리고 그들은 실제로 그렇게 했다는 것이 밝혀졌습니다. 내가 착각한 것이 아니라면 비스무트산 나트륨과 다른 화합물은 설명된 규칙을 따릅니다. 물론 이것은 시작에 불과합니다. 해당 주제에 대한 다음 논문이 출판되면 우리 모델에 실제 예측력이 있는지 여부를 알게 될 것입니다. 왜냐하면 그것이 바로 우리가 찾고 있는 것이기 때문입니다. 우리는 고압에서도 유지되는 화학 법칙을 설명하고 싶습니다." .

2~3년 전 오가노프(Oganov) 교수는 고압에서 단순 염인 NaCl이 그다지 단순하지 않고 다른 화합물이 형성된다는 사실을 발견했습니다. 그러나 그 이유를 아는 사람은 아무도 없습니다. 그들은 결과를 얻었다고 계산했지만 왜 이런 일이 일어나는지는 말할 수 없습니다. 그래서 저는 박사 과정 동안 화학 결합 연구를 전문으로 했기 때문에 이 화합물을 조사했고 무슨 일이 일어나고 있는지 합리화할 몇 가지 규칙을 찾았습니다. 저는 이 화합물에서 전자가 어떻게 행동하는지 조사했고 이러한 종류의 화합물이 고압에서 따르는 몇 가지 규칙을 생각해 냈습니다. 내 규칙이 단지 내 상상일 뿐인지 아니면 사실인지 확인하기 위해 비슷한 화합물의 새로운 구조를 예측했습니다. 예를 들어 LiBr 또는 NaBr 및 이와 유사한 일부 조합이 있습니다. 그리고 그렇습니다. 이러한 규칙은 준수되는 것으로 나타났습니다. 요컨대, 아주 전문적이지는 않지만, 압축하면 2차원 금속이 형성되고 1차원 금속 구조가 형성되는 경향이 있다는 것을 알았습니다. 그리고 매우 높은 압력에서는 이 경우 Cl의 산화수가 -2이기 때문에 좀 더 거친 일이 일어날 것입니다. 모든 화학자는 Cl의 가장 낮은 산화수가 -1이라는 것을 알고 있습니다. 이는 전형적인 교과서의 예입니다. 나트륨은 전자를 잃고 염소는 전자를 얻습니다. 따라서 우리는 +1과 -1의 산화수를 가집니다. 그러나 매우 높은 압력에서는 더 이상 사실이 아닙니다. 우리는 화학적 결합 분석을 위한 몇 가지 접근법을 통해 이를 입증했습니다. 그 작업에서도 나는 누군가가 이전에 이런 종류의 규칙을 본 적이 있는지 알아보기 위해 문헌을 살펴보려고 했습니다. 그리고 그렇습니다. 일부가 있다는 것이 밝혀졌습니다. 제가 착각한 것이 아니라면 Na-Bi와 다른 화합물은 이러한 규칙을 따르는 것으로 나타났습니다. 물론 그것은 단지 시작점일 뿐입니다. 다른 논문이 나올 것이고 우리는 이 모델이 실제 예측력을 가지고 있는지 알아볼 것입니다. 왜냐하면 이것이 우리가 찾고 있는 것이기 때문입니다. 우리는 고압에도 적용되는 화학을 스케치하고 싶습니다.

그림 12. 125-170 GPa의 압력에서 형성되는 화학식 Na 4 Cl 3을 갖는 물질의 구조, 이는 압력 하에서 "이상한" 화학의 출현을 명확하게 보여줍니다.

실험한다면 선별적으로 하라

USPEX 알고리즘은 작업 내에서 뛰어난 예측력을 갖고 있음에도 불구하고 이론에는 항상 실험적 검증이 필요합니다. 컴퓨터 지원 재료 설계 연구실(Laboratory of Computer-Aided Materials Design)은 이름에서도 알 수 있듯이 이론적인 연구실입니다. 따라서 실험은 다른 과학팀과 협력하여 수행됩니다. Gabriele Saleh는 실험실에서 채택한 연구 전략에 대해 다음과 같이 설명합니다.

“우리는 실험을 하는 것이 아니라 이론가입니다. 하지만 우리는 종종 이런 일을 하는 사람들과 협력합니다. 사실 전반적으로 어려운 것 같아요. 오늘날 과학은 고도로 전문화되어 있어 이 두 가지를 모두 수행하는 사람을 찾는 것이 쉽지 않습니다.” .

우리는 실험을 하지 않지만 종종 실험을 하는 사람들과 협력합니다. 사실 사실 힘들 것 같아요. 요즘 과학은 매우 전문화되어 있어 이 두 가지를 모두 수행하는 사람을 찾기가 어렵습니다.

가장 명확한 예 중 하나는 투명한 나트륨의 예측입니다. 2009년 잡지에 자연 Artem Oganov의 지도력하에 수행된 작업 결과가 출판되었습니다. 기사에서 과학자들은 투명한 비금속이며 압력을 가하면 유전체가 되는 새로운 형태의 Na에 대해 설명했습니다. 왜 이런 일이 발생합니까? 이는 원자가 전자의 거동 때문입니다. 압력을 가하면 원자가 전자는 나트륨 원자로 형성된 결정 격자의 공극으로 강제로 빠져 나옵니다(그림 13). 이 경우 물질의 금속성이 사라지고 유전체의 성질이 나타난다. 200만 기압의 압력에서는 나트륨이 빨간색으로 변하고, 300만 기압의 압력에서는 무색이 됩니다.

그림 13. 300만 기압 이상의 압력을 받는 나트륨. 파란색나트륨 원자의 결정 구조를 보여줍니다. 주황색- 구조의 공극에 원자가 전자 다발이 있습니다.

고전 금속이 그러한 특성을 나타낼 수 있다고 믿는 사람은 거의 없었습니다. 그러나 물리학자 Mikhail Eremets와 협력하여 예측을 완전히 확인하는 실험 데이터를 얻었습니다(그림 14).

그림 14. 투과 조명과 반사 조명을 조합하여 얻은 Na 샘플의 사진.샘플에 199GPa(투명상), 156GPa, 124GPa 및 120GPa 등 다양한 압력이 적용되었습니다.

열정을 가지고 일해야 해요!

Artem Oganov는 직원들에게 어떤 요구 사항을 적용하는지 말했습니다.

“우선 좋은 교육을 받아야 해요. 둘째, 열심히 일하는 사람이 되십시오. 게으른 사람은 채용하지 않고, 실수로 채용하면 쫓겨난다. 나는 게으르고, 무기력하고, 무정형인 직원 몇 명을 해고했습니다. 그리고 나는 이것이 그 사람 자신에게도 절대적으로 정확하고 좋다고 생각합니다. 왜냐하면 사람이 자기 자리에 있지 않으면 행복하지 않을 것이기 때문입니다. 그는 열정과 즐거움을 가지고 열정적으로 일할 수 있는 곳으로 가야 합니다. 그리고 이것은 실험실에도 좋고 인간에게도 좋습니다. 그리고 열정을 가지고 정말 아름답게 일하는 사람들은 우리가 그들에게 좋은 월급을 주고, 컨퍼런스에 참석하고, 기사를 쓰고, 그 글을 세계 최고의 잡지에 실리면 모든 것이 잘 될 것입니다. 그 이유는 그것이 올바른 위치에 있고 실험실이 이를 지원할 수 있는 좋은 자원을 갖고 있기 때문입니다. 즉, 남자들은 생존을 위해 추가 돈을 버는 것에 대해 생각할 필요가 없습니다. 그들은 과학과 자신이 가장 좋아하는 활동에 집중할 수 있으며 성공적으로 수행할 수 있습니다. 이제 우리는 몇 가지 새로운 보조금을 받게 되었고, 이는 우리가 몇 사람을 더 고용할 수 있는 기회를 열어줍니다. 항상 경쟁이 있습니다. 사람들은 일년 내내 지원하지만, 물론 모든 사람을 받아들이지는 않습니다.”. (2016). 4-아미노피리딘의 결정질 수화물, 이의 제조 방법, 약학 조성물 및 이를 기반으로 하는 치료 및/또는 예방 방법. 물리. 화학. 화학. 물리. 18 , 2840–2849;

Ma Y., Eremets M., Oganov A.R., Xie Y., Trojan I., Medvedev S. 외. (2009). 투명한 나트륨 밀도. 자연. 458 , 182–185;

Lyakhov A. O., Oganov A. R., Stokes H. T., Zhu Q. (2013). 진화 구조 예측 알고리즘 USPEX의 새로운 개발. 계산. 물리. 커뮤니케이터 184 , 1172–1182.

세계에서 가장 많이 인용되는 이론 광물학자 중 한 명인 Artem Oganov는 최근에 가능해진 컴퓨터 예측에 대해 우리에게 말했습니다. 이전에는 신소재의 컴퓨터 설계 문제에는 결정 구조 문제가 포함되어 있어 이 문제를 해결할 수 없었으며, 이는 해결 불가능하다고 여겨졌습니다. 그러나 Oganov와 그의 동료들의 노력 덕분에 그들은 이 꿈에 더 가까워지고 그것을 현실로 만들 수 있었습니다.

이 작업이 중요한 이유: 이전에는 새로운 물질이 매우 오랜 시간과 많은 노력을 들여 생산되었습니다.

Artem Oganov: “실험자들은 실험실로 이동합니다. 다양한 온도와 압력에서 다양한 물질을 혼합합니다. 새로운 물질을 얻으세요. 그들의 속성이 측정됩니다. 원칙적으로 이러한 물질은 관심이 없으며 거부됩니다. 그리고 실험자들은 다른 조건에서 약간 다른 구성을 가진 약간 다른 물질을 얻으려고 다시 시도하고 있습니다. 그래서 우리는 단계적으로 많은 실패를 극복하고 이를 위해 수년의 삶을 보냅니다. 연구자들은 하나의 물질을 얻기 위해 엄청난 노력과 시간, 돈을 소비하는 것으로 나타났습니다. 이 과정은 수년이 걸릴 수 있습니다. 그것은 막다른 골목으로 판명될 수 있으며 결코 필요한 자료를 발견하지 못할 수도 있습니다. 하지만 성공으로 이어지더라도 이러한 성공에는 매우 큰 대가가 따릅니다.”

따라서 오류 없는 예측을 할 수 있는 기술을 만드는 것이 필요하다. 즉, 실험실에서 실험하지 말고 특정 조건에서 어떤 재료, 어떤 구성 및 온도를 사용하여 원하는 특성을 가질지 예측하는 작업을 컴퓨터에 제공하십시오. 그리고 컴퓨터는 다양한 옵션을 거쳐 어떤 화학적 조성과 어떤 결정 구조가 주어진 요구 사항을 충족하는지 답할 수 있습니다. 결과적으로 찾고 있는 자료가 존재하지 않을 수도 있습니다. 아니면 그는 존재하며 혼자가 아닙니다.
그리고 여기서 두 번째 문제가 발생하는데 그 해결책은 아직 해결되지 않았습니다. 이 자료를 얻는 방법은 무엇입니까? 즉, 화학조성과 결정구조는 명확하지만, 예를 들어 산업적 규모로 구현할 수 있는 방법은 아직 없다.

예측 기술

예측해야 할 가장 중요한 것은 결정 구조입니다. 이전에는 공간 내 원자 배열에 대한 옵션이 많았기 때문에 이 문제를 해결할 수 없었습니다. 그러나 대다수는 관심이 없습니다. 중요한 것은 충분히 안정적이고 연구자에게 필요한 특성을 갖는 우주에서의 원자 배열 옵션입니다.
높거나 낮은 경도, 전기 전도성 및 열 전도성 등의 특성은 무엇입니까? 결정 구조가 중요합니다.

“예를 들어 탄소를 생각한다면 다이아몬드와 흑연을 보세요. 화학적으로 그들은 동일한 물질입니다. 그러나 속성은 완전히 다릅니다. 검은색 슈퍼 소프트 카본과 투명한 슈퍼 하드 다이아몬드 - 이들의 차이점은 무엇인가요? 결정 구조입니다. 덕분에 한 물질은 매우 단단하고 다른 물질은 매우 부드럽습니다. 하나는 거의 금속으로 이루어진 도체입니다. 다른 하나는 유전체입니다.”

새로운 물질을 예측하는 방법을 배우기 위해서는 먼저 결정구조를 예측하는 방법을 배워야 합니다. 이를 위해 Oganov와 그의 동료들은 2006년에 진화론적 접근 방식을 제안했습니다.

“이 접근 방식에서 우리는 무한히 다양한 결정 구조를 모두 시도하려는 것이 아닙니다. 우리는 작은 무작위 샘플부터 시작하여 단계별로 시도해 볼 것입니다. 그 중에서 가능한 솔루션의 순위를 매기고 최악의 솔루션은 버립니다. 그리고 최고의 것 중에서 우리는 보조 변형을 생산합니다. 딸 변종은 다양한 돌연변이나 재조합을 통해 생성됩니다. 유전을 통해 두 부모로부터 구성의 서로 다른 구조적 특징을 결합합니다. 여기에서 딸 구조, 즉 딸 물질, 딸 화학 조성, 딸 구조가 나옵니다. 그런 다음 이러한 보조 화합물도 평가됩니다. 예를 들어 안정성이나 관심 있는 화학적 또는 물리적 특성을 기준으로 합니다. 그리고 우리는 수익성이 없는 것으로 평가된 것들을 폐기합니다. 약속을 보이는 사람들에게는 자손을 낳을 권리가 주어집니다. 돌연변이나 유전을 통해 우리는 다음 세대를 생산합니다.”

따라서 과학자들은 주어진 물리적 특성 측면에서 단계별로 최적의 재료에 접근하고 있습니다. 이 경우의 진화적 접근 방식은 다윈의 진화론과 동일한 방식으로 작동합니다. Oganov와 그의 동료들은 주어진 특성이나 안정성의 관점에서 최적의 결정 구조를 찾을 때 이 원리를 컴퓨터에 구현합니다.

“또한 우리가 이 방법을 개발할 때(그런데 개발은 계속되고 있으며 점점 더 개선되었습니다) 다양한 진화 방법을 실험했다고 말할 수 있습니다(그러나 이것은 이미 훌리건주의 직전입니다). 예를 들어, 우리는 두 부모가 아닌 서너 명에게서 한 아이를 낳으려고 했습니다. 인생과 마찬가지로 두 부모에게서 한 아이를 낳는 것이 최적이라는 것이 밝혀졌습니다. 한 자녀에게는 아버지와 어머니라는 두 명의 부모가 있습니다. 3개도 아니고 4개도 아니고 24개도 아닙니다. 이는 자연과 컴퓨터 모두에서 최적입니다.”

Oganov는 자신의 방법에 대한 특허를 얻었으며 현재 전 세계 거의 수천 명의 연구원과 Intel, Toyota 및 Fujitsu와 같은 여러 대기업에서 사용하고 있습니다. 예를 들어, Oganov에 따르면 Toyota는 하이브리드 자동차에 사용될 리튬 배터리용 신소재를 개발하기 위해 한동안 이 방법을 사용해 왔습니다.

다이아몬드 문제

경도에 대한 기록 보유자인 다이아몬드는 모든 용도에 가장 적합한 초경질 재료라고 믿어집니다. 그러나 예를 들어 철에서는 용해되지만 산소 환경에서는 고온에서 연소되기 때문에 그렇지 않습니다. 일반적으로 다이아몬드보다 단단한 물질을 찾는 것은 수십 년 동안 인류를 걱정해 왔습니다.

“우리 그룹이 수행한 간단한 컴퓨터 계산에 따르면 그러한 자료는 존재할 수 없습니다. 실제로 다이아몬드보다 단단한 유일한 것은 다이아몬드일 수 있지만 나노 결정 형태입니다. 다른 재료는 경도 측면에서 다이아몬드를 이길 수 없습니다.”

Oganov 그룹의 또 다른 방향은 전기 에너지 저장을 위한 슈퍼 커패시터의 기초가 될 수 있을 뿐만 아니라 컴퓨터 마이크로프로세서의 추가 소형화를 위한 기초 역할을 할 수 있는 새로운 유전체 재료를 예측하는 것입니다.
“이러한 소형화는 실제로 장애물에 직면해 있습니다. 기존 유전체 재료는 전하를 매우 잘 견디지 못하기 때문입니다. 그들은 새고 있습니다. 그리고 더 이상의 소형화는 불가능하다. 실리콘에 달라붙으면서도 동시에 우리가 가지고 있는 물질보다 유전 상수가 훨씬 높은 물질을 얻을 수 있다면 이 문제를 해결할 수 있습니다. 그리고 우리는 이 방향에서도 상당한 진전을 이루었습니다.”

그리고 Oganov가 마지막으로 하는 일은 신약 개발, 즉 그들의 예측입니다. 이는 과학자들이 결정 표면의 구조와 화학적 조성을 예측하는 방법을 배웠기 때문에 가능합니다.

“사실 결정의 표면은 결정 자체의 물질과 다른 화학적 조성을 갖는 경우가 많습니다. 구조도 근본적으로 다른 경우가 많습니다. 그리고 우리는 단순하고 겉으로는 불활성인 것처럼 보이는 산화물 결정(예: 산화마그네슘)의 표면에 매우 흥미로운 이온(예: 과산화물 이온)이 포함되어 있음을 발견했습니다. 그들은 또한 세 개의 산소 원자로 구성된 오존과 유사한 그룹을 포함합니다. 이것은 매우 흥미롭고 중요한 관찰 중 하나를 설명합니다. 불활성이고 안전하며 무해해 보이는 미세한 산화물 광물 입자를 사람이 흡입하면 이 입자는 잔인한 농담을 하고 폐암 발병에 기여합니다. 특히, 극도로 불활성인 석면은 발암물질로 알려져 있다. 따라서 석면 및 석영(특히 석영)과 같은 광물의 표면에 과산화물 이온이 형성될 수 있으며, 이는 암의 형성 및 발달에 핵심적인 역할을 합니다. 우리의 기술을 사용하면 이러한 종류의 입자 형성을 피할 수 있는 조건을 예측하는 것도 가능합니다. 즉, 폐암의 치료법과 예방까지 찾아낼 수 있다는 희망이 있는 것이다. 이 경우 폐암에 대해서만 이야기하고 있습니다. 그리고 완전히 예상치 못한 방식으로 우리 연구 결과를 통해 폐암을 이해하고 예방하거나 치료할 수도 있게 되었습니다.”

요약하자면, 결정 구조의 예측은 마이크로 전자공학과 의약품 모두의 재료 설계에 핵심적인 역할을 할 수 있습니다. 일반적으로 이 기술은 미래 기술의 새로운 길을 열어준다고 Oganov는 확신합니다.

링크에서 Artem 실험실의 다른 영역에 대해 읽고 그의 책을 읽을 수 있습니다. 결정 구조 예측의 현대적인 방법