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

Publicăm textul unei prelegeri susținute de un profesor la Universitatea de Stat din New York, un profesor adjunct la Universitatea de Stat din Moscova și un profesor onorific la Universitatea GuilinArtem Oganov 8 Septembrie 2012, în cadrul seriei „Prelegeri publice „Polit.ru” la festivalul de carte în aer liber Bookmarket în parcul de artă Muzeon.

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

Textul prelegerii

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

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

Prelegerea se numește: „Proiectare computerizată de materiale noi: vis sau realitate?” Dacă acesta ar fi complet un vis, atunci prelegerea nu ar avea niciun sens. Visele sunt ceva, de regulă, nu din domeniul realității. Pe de altă parte, dacă acest lucru ar fi fost deja implementat pe deplin, prelegerea nu ar avea nici un sens, deoarece noi tipuri de metodologii, inclusiv cele teoretice computaționale, atunci când sunt deja pe deplin dezvoltate, trec de la categoria științei la categoria industrială. sarcini de rutină. De fapt, acest domeniu este complet nou: proiectarea computerizată a materialelor noi se află undeva la mijloc între vis - ceea ce este imposibil, ceea ce visăm în timpul liber - și realitate, aceasta nu este încă o zonă complet finalizată, este este o zonă care se dezvoltă chiar acum. Și această zonă va face posibilă, în viitorul apropiat, abaterea de la metoda tradițională de descoperire a materialelor noi, cea de laborator, și începerea proiectării materialelor asistate de computer; aceasta ar fi mai ieftină, mai rapidă și, în multe privințe, chiar mai fiabilă. Dar îți voi spune cum să o faci. Aceasta este direct legată de problema predicției, prognozarea structurii unei substanțe, deoarece structura unei substanțe determină proprietățile acesteia. Structura diferită a aceleiași substanțe, să zicem carbonul, determină diamantul super-dur și grafitul super-moale. Structura în acest caz este totul. Structura materiei.

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

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

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

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

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

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

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

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

Așadar, cunoaștem diferitele stări ale materiei: cristalină și cvasicristalină ordonată, amorfă (stare solidă dezordonată), precum și stări lichide, gazoase și diverse polimerice ale materiei. Cunoscând structura unei substanțe, puteți prezice multe, multe dintre proprietățile sale și cu un grad ridicat de fiabilitate. Iată structura silicatului de magneziu, un tip de perovskit. Cunoscând pozițiile aproximative ale atomilor, puteți prezice, de exemplu, o proprietate destul de dificilă precum constantele elastice - această proprietate este descrisă de un tensor de rang 4 cu multe componente și puteți prezice această proprietate complexă cu acuratețe experimentală, cunoscând numai pozitiile atomilor. Și această substanță este destul de importantă, reprezintă 40% din volumul planetei noastre. Acesta este cel mai comun material de pe Pământ. Și este posibil să înțelegem proprietățile acestei substanțe, care există la mare adâncime, cunoscând doar aranjamentul atomilor.

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

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

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

Aparent, primul împărat al Chinei, Qin Shi Huang, și Ivan cel Groaznic au fost victime ale otrăvirii cu mercur, iar așa-numita boală a pălărierului nebun a fost foarte bine studiată; în secolele al XVIII-lea și al XIX-lea, în Anglia, o întreagă clasă de oameni care lucrează în industria pălăriilor s-a îmbolnăvit de o boală ciudată foarte devreme, o boală neurologică numită boala pălărierului nebun. Discursul lor a devenit incoerent, acțiunile lor au devenit lipsite de sens, membrele le tremurau necontrolat și au căzut în demență și nebunie. Corpurile lor erau în permanență în contact cu mercur, în timp ce înmuiau aceste pălării în soluții de săruri de mercur, care pătrundeau în corpurile lor și afectau sistemul nervos. Ivan cel Groaznic a fost un rege foarte progresist, bun până la vârsta de 30 de ani, după care s-a schimbat peste noapte - și a devenit un tiran nebun. Când corpul său a fost exhumat, s-a dovedit că oasele sale erau grav deformate și conțineau o concentrație uriașă de mercur. Faptul este că țarul suferea de o formă severă de artrită, iar la acea vreme artrita era tratată prin frecare cu unguente cu mercur - acesta era singurul remediu și poate că mercurul explică nebunia ciudată a lui Ivan cel Groaznic. Qin Shi Huang, omul care a creat China în forma ei actuală, a domnit timp de 36 de ani, primii 12 ani din care a fost o marionetă în mâinile mamei sale, regentul, povestea lui este asemănătoare cu povestea lui Hamlet. Mama lui și iubitul ei și-au ucis tatăl și apoi au încercat să scape de el, este o poveste îngrozitoare. Dar, maturizat, a început să se stăpânească singur - și în 12 ani a oprit războiul intestine dintre cele 7 regate ale Chinei, care a durat 400 de ani, a unit China, a unit greutățile, banii, a unificat scrierea chineză, a construit Marele. Zidul Chinezesc, a construit 6 5 mii de kilometri de autostrăzi care sunt încă în folosință, canale care sunt încă în uz și totul a fost făcut de un singur om, dar în ultimii ani a suferit de o formă ciudată de nebunie maniacale. Alchimiștii săi, pentru a-l face nemuritor, i-au dat pastile de mercur, ei credeau că asta îl va face nemuritor, drept urmare, acest om, aparent distins printr-o sănătate remarcabilă, a murit înainte de a împlini vârsta de 50 de ani, iar ultimii ani de această scurtă viață a fost înnebunită de nebunie. Otrăvirea cu plumb s-ar putea să fi făcut din mulți împărați romani victime: la Roma a existat o sursă de apă cu plumb, un apeduct și se știe că, odată cu otrăvirea cu plumb, anumite părți ale creierului se micșorează, poți vedea chiar acest lucru pe imaginile tomografice, picături de inteligență. , IQ scade, o persoană devine foarte agresivă . Intoxicația cu plumb este încă o problemă mare în multe orașe și țări. Pentru a scăpa de aceste tipuri de consecințe nedorite, trebuie să dezvoltăm noi materiale pentru a curăța mediul.

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

Iată o paralelă istorică interesantă despre modul în care proprietățile materialelor sau ignorarea acestora pot avea consecințe fatale. Două povești care sunt foarte frumoase, dar, aparent, incorecte din punct de vedere istoric, dar le voi spune totuși, pentru că o poveste frumoasă este uneori mai bună decât o poveste adevărată. În literatura de știință populară, este de fapt foarte obișnuit să găsim referințe la modul în care efectul ciumei de staniu - și iată o mostră a acesteia - a distrus expedițiile lui Napoleon în Rusia și ale căpitanului Scott la Polul Sud. Faptul este că staniul la o temperatură de 13 grade Celsius suferă o tranziție de la metal (aceasta este staniu alb) la staniu gri, un semiconductor, în timp ce densitatea scade brusc - iar staniul se destramă. Aceasta se numește „ciuma de staniu” - tabla pur și simplu se sfărâmă în praf. Iată o poveste pe care nu am văzut-o niciodată pe deplin explicată. Napoleon vine în Rusia cu o armată de 620 de mii, duce doar câteva bătălii relativ mici - și doar 150 de mii de oameni ajung la Borodino. 620 sosesc, 150 de mii ajung la Borodino aproape fără luptă. Sub Borodino au mai fost aproximativ 40 de mii de victime, apoi o retragere de la Moscova - și 5 mii au ajuns în viață la Paris. Apropo, retragerea a fost, de asemenea, aproape fără luptă. Ce se întâmplă? Cum poți trece de la 620 de mii la 5 mii fără să te lupți? Există istorici care susțin că ciuma de tablă este de vină pentru toate: nasturii uniformelor soldaților erau din tablă, tabla s-a prăbușit de îndată ce a venit vremea rece, iar soldații s-au trezit practic goi în gerul rusesc. . Problema este că nasturii au fost fabricați din tablă murdară, care este rezistentă la ciuma de tablă.

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

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

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

Întrebare din partea publicului: Ai spus cu viteze diferite?

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

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

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

Întrebare din partea publicului: Pot fi clarificate conceptele „reflectat” și „transmis”?

Artem Oganov: Poate sa! Apropo, observ că aceleași spectre de absorbție determină de ce cordierita are culori diferite în direcții diferite. Faptul este că structura cristalului în sine - în special cordierita - arată diferit în direcții diferite, iar lumina este absorbită diferit în aceste direcții.

Ce este lumina alba? Acesta este întregul spectru de la roșu la violet, iar când lumina trece prin cristal, o parte din acest interval este absorbită. De exemplu, un cristal poate absorbi lumina albastră și puteți vedea ce se va întâmpla ca rezultat din acest tabel. Dacă absorbiți razele albastre, ieșirea va fi portocalie, așa că atunci când vedeți ceva portocaliu, știți că se absoarbe în intervalul albastru. Lumina împrăștiată este atunci când aveți aceeași ceașcă de Lycurgus pe masă, lumina cade și o parte din această lumină se împrăștie și vă lovește ochii. Difuzarea luminii se supune unor legi complet diferite și, în special, depinde de mărimea granulelor obiectului. Datorită împrăștierii luminii, cerul este albastru. Există o lege de împrăștiere Rayleigh care poate fi folosită pentru a explica aceste culori.

V-am arătat cum sunt legate proprietățile de structură. Vom analiza acum pe scurt cum să prezicem structura cristalină. Aceasta înseamnă că problema prezicerii structurilor cristaline a fost considerată de nerezolvată până de curând. Această problemă în sine este formulată după cum urmează: cum să găsiți aranjamentul atomilor care oferă stabilitate maximă - adică cea mai scăzută energie? Cum să o facă? Puteți, desigur, să parcurgeți toate opțiunile pentru aranjarea atomilor în spațiu, dar se dovedește că există atât de multe astfel de opțiuni încât nu veți avea suficient timp să le parcurgeți; de fapt, chiar și pentru destul de simplu sisteme, să zicem, cu 20 de atomi, veți avea nevoie de mai mult decât viața de timp a Universului pentru a sorta toate aceste combinații posibile pe un computer. Prin urmare, s-a crezut că această problemă este de nerezolvat. Cu toate acestea, această problemă a fost rezolvată folosind mai multe metode, iar cea mai eficientă metodă, deși poate suna lipsită de modestie, a fost dezvoltată de grupul meu. Metoda se numește „Succes”, „USPEX”, metodă evolutivă, algoritm evolutiv, a cărui esență voi încerca să vă explic acum. Problema este echivalentă cu găsirea maximului global pe o suprafață multidimensională - pentru simplitate, să luăm în considerare o suprafață bidimensională, suprafața Pământului, unde trebuie să găsiți cel mai înalt munte fără a avea hărți. Să o punem așa cum a spus-o colegul meu australian Richard Clegg - este australian, îi iubește cangurii, iar în formularea sa, folosind canguri, animale destul de neinteligente, trebuie să determinați cel mai înalt punct de pe suprafața Pământului. Cangurul înțelege doar instrucțiuni simple - urcă, coboară. În algoritmul evolutiv, aruncăm un grup de canguri, aleatoriu, în diferite puncte de pe planetă și le dăm fiecăruia instrucțiuni: urcăm în vârful celui mai apropiat deal. Și ei pleacă. Când acești canguri ajung la Sparrow Hills, de exemplu, și când ajung poate la Elbrus, cei dintre ei care nu au ajuns sus sunt eliminați și împușcați înapoi. Vine un vânător, aproape am spus, un artist, vine un vânător și trage, iar cei care au supraviețuit primesc dreptul de a reproduce. Și datorită acestui lucru, este posibil să identificăm cele mai promițătoare zone din întreg spațiul de căutare. Și pas cu pas, împușcând canguri din ce în ce mai sus, vei muta populația de canguri la un maxim global. Cangurii vor produce descendenți din ce în ce mai de succes, vânătorii vor împușca canguri care urcă din ce în ce mai sus și astfel această populație poate fi pur și simplu condusă spre Everest.

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

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

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

Noi și colegii noștri am făcut multe folosind această metodă; iată o mică selecție de descoperiri diferite. Lasă-mă să vorbesc despre doar câteva dintre ele.

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

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

Iată un tabel care arată cum determinările de duritate calculate sunt de acord cu experimentul. Pentru majoritatea substanțelor normale acordul este excelent, dar pentru grafit modelele au prezis că ar trebui să fie superhard, ceea ce este evident fals. Am putut înțelege și remedia această eroare. Și acum, folosind acest model, putem prezice în mod fiabil duritatea oricărei substanțe și putem pune computerului următoarea întrebare: care substanță este cea mai dură? Este posibil să depășești diamantul ca duritate? Oamenii se gândesc la asta de multe, multe decenii. Deci, care este cea mai dură structură a carbonului? Răspunsul a fost descurajator: diamant, și nu putea fi nimic mai greu în carbon. Dar puteți găsi structuri de carbon care sunt aproape de diamant ca duritate. Structurile de carbon care sunt aproape de duritatea diamantului au într-adevăr dreptul de a exista. Și unul dintre ele este cel pe care v-am arătat-o ​​mai devreme, cu canale de 5 și 7 membri. În 2001, Dubrovinsky a propus în literatură o substanță ultra-dură - dioxid de titan; se credea că în ceea ce privește duritatea nu era cu mult inferioară diamantului, dar existau îndoieli. Experimentul a fost destul de controversat. Aproape toate măsurătorile experimentale din acea lucrare au fost mai devreme sau mai târziu infirmate: a fost foarte dificil de măsurat duritatea din cauza dimensiunii mici a probelor. Dar calculul a arătat că duritatea a fost măsurată în mod eronat în acel experiment, iar duritatea reală a dioxidului de titan este de aproximativ 3 ori mai mică decât ceea ce au susținut experimentatorii. Deci, cu ajutorul acestui tip de calcule, se poate chiar judeca care experiment este de încredere și care nu, astfel încât aceste calcule au obținut acum o precizie ridicată.

Există o altă poveste legată de carbon pe care aș dori să vă spun - s-a desfășurat deosebit de rapid în ultimii 6 ani. Dar a început acum 50 de ani, când cercetătorii americani au efectuat următorul experiment: au luat grafit și l-au comprimat la o presiune de aproximativ 150-200 de mii de atmosfere. Dacă grafitul este comprimat la temperaturi ridicate, ar trebui să se transforme în diamant, cea mai stabilă formă de carbon la presiuni ridicate - așa este sintetizat diamantul. Dacă faceți acest experiment la temperatura camerei, diamantul nu se poate forma. De ce? Deoarece restructurarea necesară pentru a transforma grafitul în diamant este prea mare, structurile sunt prea diferite, iar bariera energetică care trebuie depășită este prea mare. Și în loc de formarea unui diamant, vom observa formarea unei alte structuri, nu cea mai stabilă, ci cea cu cea mai mică barieră în calea formării. Am propus o astfel de structură - și am numit-o M-carbon, aceasta este aceeași structură cu inele cu 5 și 7 membri; prietenii mei armeni îi spun în glumă „moocarbon-shmoocarbon”. S-a dovedit că această structură descrie pe deplin rezultatele acelui experiment de acum 50 de ani, iar experimentul a fost repetat de multe ori. Experimentul, de altfel, este foarte frumos - prin comprimarea grafitului (un semimetal negru, moale, opac) la temperatura camerei, cercetatorii au obtinut sub presiune un nemetal transparent super-dur: o transformare absolut fantastica! Dar acesta nu este un diamant, proprietățile sale nu sunt în concordanță cu diamantul, iar structura noastră ipotetică de atunci a descris pe deplin proprietățile acestei substanțe. Am fost extrem de fericiți, am scris un articol și l-am publicat în prestigioasa jurnală Physical Review Letters și ne-am odihnit de lauri exact un an. Un an mai târziu, oamenii de știință americani și japonezi au găsit o nouă structură, complet diferită de aceasta, aceasta, cu inele cu 4 și 8 membri. Această structură este complet diferită de a noastră, dar descrie aproape la fel de bine datele experimentale. Problema este că datele experimentale erau de rezoluție scăzută și multe alte structuri se potrivesc cu ele. Au trecut alte șase luni, un chinez pe nume Wang a propus W-carbon, iar W-carbon a explicat și datele experimentale. Curând povestea a devenit grotesc - noi grupuri chineze s-au alăturat acesteia, iar chinezii le place să producă, și au produs aproximativ 40 de structuri și toate se potrivesc cu datele experimentale: P-, Q-, R-, S-carbon, Q- carbon, X -, Y-, Z-carbon, M10-carbon este cunoscut, X'-carbon și așa mai departe - alfabetul lipsește deja. Deci cine are dreptate? În general vorbind, la început, M-carbon-ul nostru a avut exact aceleași drepturi de a revendica dreptate ca toți ceilalți.

Răspuns din partea publicului: Toată lumea are dreptate.

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

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

Permiteți-mi să menționez încă o transformare alchimică. Sub presiune, se așteaptă ca toate substanțele să se transforme în metal, mai devreme sau mai târziu orice substanță va deveni metal. Ce se va întâmpla cu o substanță care inițial este deja metală? De exemplu, sodiu. Sodiul nu este deloc doar un metal, ci un metal uimitor, descris de modelul cu electroni liberi, adică este cazul limitativ al unui metal bun. Ce se întâmplă dacă stoarceți sodiu? Se pare că sodiul nu va mai fi un metal bun - la început, sodiul se va transforma într-un metal unidimensional, adică va conduce electricitatea într-o singură direcție. La presiuni mai mari, am prezis că sodiul își va pierde complet metalicitatea și se va transforma într-un dielectric transparent roșcat și că dacă presiunea ar crește și mai mult, va deveni incolor, ca sticla. Deci - luați un metal argintiu, îl stoarceți - mai întâi se transformă într-un metal rău, negru ca cărbunele, stoarceți mai departe - se transformă într-un cristal transparent roșcat, care amintește în exterior de un rubin, apoi devine alb, ca sticla. Am prezis acest lucru, iar revista Nature, unde am depus-o, a refuzat să-l publice. Editorul a returnat textul în câteva zile și a spus: nu credem, este prea exotic. Am găsit un experimentator, Mikhail Eremets, care era gata să testeze această predicție - și iată rezultatul. La o presiune de 110 Gigapascali, aceasta este 1,1 milioane de atmosfere, este încă un metal argintiu, la 1,5 milioane de atmosfere este un metal rău, negru ca cărbunele. La 2 milioane de atmosfere este un nemetal transparent rosiatic. Și deja cu acest experiment am publicat foarte ușor rezultatele noastre. Aceasta, apropo, este o stare destul de exotică a materiei, deoarece electronii nu mai sunt răspândiți în spațiu (ca în metale) și nu sunt localizați pe atomi sau legături (ca în substanțele ionice și covalente) - electronii de valență, care au furnizat sodiului cu metalicitate, sunt cuprinse în spațiul gol, unde nu există atomi și sunt foarte puternic localizați. O astfel de substanță poate fi numită electridă, adică. sare, unde rolul ionilor încărcați negativ, anionii, nu este jucat de atomi (să zicem, fluor, clor, oxigen), ci de cheaguri de densitate electronică, iar forma noastră de sodiu este cel mai simplu și mai izbitor exemplu de electridă cunoscută. .

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

O întrebare importantă este care este temperatura în centrul Pământului? Cunoaștem presiunea din modelele seismologice, dar aceste modele nu dau temperatura. Temperatura este definită după cum urmează: știm că miezul interior este solid, miezul exterior este lichid și că miezul este format din fier. Deci, dacă cunoașteți punctul de topire al fierului la acea adâncime, atunci știți temperatura miezului la acea adâncime. Au fost efectuate experimente, dar au dat o incertitudine de 2 mii de grade și s-au făcut calcule, iar calculele au pus capăt acestei probleme. Punctul de topire al fierului la limita nucleului interior și exterior sa dovedit a fi de aproximativ 6,4 mii de grade Kelvin. Dar când geofizicienii au aflat despre acest rezultat, s-a dovedit că această temperatură era prea mare pentru a reproduce corect caracteristicile câmpului magnetic al Pământului - această temperatură era prea mare. Și apoi fizicienii și-au amintit că, de fapt, miezul nu este fier pur, ci conține diverse impurități. Încă nu știm exact care dintre ele, dar printre candidați se numără oxigenul, siliciul, sulful, carbonul și hidrogenul. Variind diferite impurități și comparând efectele acestora, a fost posibil să înțelegem că punctul de topire ar trebui să fie scăzut cu aproximativ 800 de grade. 5600 de grade Kelvin este temperatura de la limita nucleelor ​​interioare și exterioare ale Pământului, iar această estimare este în prezent acceptată în general. Acest efect de scădere a temperaturii prin impurități, scăderea eutectică a punctului de topire, este bine cunoscut, datorită acestui efect suferă încălțămintea noastră iarna - drumurile sunt stropite cu sare pentru a scădea punctul de topire al zăpezii, iar datorită acestui efect. , zăpada solidă și gheața se transformă în stare lichidă, iar pantofii noștri suferă de această apă sărată.

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

Turnați apă clocotită și voi ține aliajul lui Wood și veți vedea cum picături de aliaj de Wood vor cădea în sticlă.

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

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

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

În special, planetele mai mici, cum ar fi Mercur și Marte, nu vor avea un strat ca stratul D.” Nu există suficientă presiune acolo pentru a stabiliza această structură. De asemenea, a fost posibil să se facă o predicție că pe măsură ce Pământul se răcește, acest strat ar trebui să crească, deoarece stabilitatea post-perovskitei crește odată cu scăderea temperaturii. Este posibil ca atunci când s-a format Pământul, acest strat să nu fi existat deloc, ci să se fi născut în faza timpurie a dezvoltării planetei noastre. Și toate acestea pot fi înțelese datorită predicțiilor privind noile structuri ale substanțelor cristaline.

Răspuns din partea publicului: Datorită algoritmului genetic.

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

Răspuns din partea publicului: Deci acest algoritm genetic are 100 de ani, ei nu au făcut nimic altceva.

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

Răspuns din partea publicului: Ce matematică? Este genetica.

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

Toate aceste exemple pe care vi le-am dat arată cum înțelegerea structurii materiei și capacitatea de a prezice structura materiei duce la proiectarea de noi materiale care pot avea proprietăți optice, proprietăți mecanice, proprietăți electronice interesante. Materiale care alcătuiesc interiorul Pământului și al altor planete. În acest caz, puteți rezolva o serie întreagă de probleme interesante pe un computer folosind aceste metode. Colegii mei și peste 1000 de utilizatori ai metodei noastre din diferite părți ale lumii au adus o contribuție uriașă la dezvoltarea acestei metode și la aplicarea acesteia. Permiteți-mi să mulțumesc sincer tuturor acestor oameni și organizatorilor acestei prelegeri și vouă pentru atenția acordată.

Discuția prelegerii

Boris Dolgin: Mulţumesc mult! Mulțumesc frumos, Artyom, mulțumesc foarte mult organizatorilor care ne-au oferit o platformă pentru această versiune de prelegeri publice, mulțumim foarte mult RVC, care ne-a susținut în această inițiativă, sunt sigur că cercetările lui Artyom vor continua, ceea ce înseamnă că va apărea material nou pentru prelegerea sa aici, aici, pentru că trebuie spus că unele dintre cele auzite astăzi nu existau de fapt la momentul prelegerilor anterioare, deci are sens.

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

Artem Oganov: Ideea este că totul depinde de cât de repede efectuați compresia. Dacă compresia se efectuează foarte repede, de exemplu, în unde de șoc, atunci este în mod necesar însoțită de încălzire; compresia puternică duce în mod necesar la o creștere a temperaturii. Dacă efectuați compresia încet, atunci proba are suficient timp pentru a schimba căldură cu mediul său și a intra în echilibru termic cu mediul său.

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

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

1. 1. Design computerizat de noi materiale: vis sau realitate? Artem Oganov (ARO) (1) Departamentul de Geoștiințe (2) Departamentul de Fizică și Astronomie (3) Centrul New York pentru Științe Computaționale Universitatea de Stat din New York, Stony Brook, NY 11794-2100 (4) Universitatea de Stat din Moscova, Moscova, 119992, Rusia.
2. 2. Structura materiei: atomi, molecule Anticii au ghicit că materia este formată din particule: „când El (Dumnezeu) nu crease încă pământul, nici câmpurile, nici boabele inițiale de praf ale universului” (Proverbe, 8). :26) (de asemenea - Epicur, Lucretius Carus, vechii hinduși,...) În 1611, J. Kepler a sugerat că structura gheții, forma fulgilor de nea, este determinată de structura lor atomică
3. 3. Structura materiei: atomi, molecule, cristale 1669 - nașterea cristalografiei: Nicholas Stenon formulează prima lege cantitativă a cristalografiei „Cristalografia... este neproductivă, există numai pentru sine, nu are consecințe... nefiind cu adevărat nevoie oriunde, s-a dezvoltat în interiorul tău. Oferă minții o anumită satisfacție limitată, iar detaliile ei sunt atât de variate încât poate fi numită inepuizabilă; de aceea îi lasoează chiar și pe cei mai buni oameni atât de tenace și atât de mult.” (I.V. Goethe, cristalograf amator, 1749-1832) Ludwig Boltzmann (1844-1906) este un mare fizician austriac care și-a bazat toate teoriile pe idei despre atomi. Critica atomismului l-a condus la sinucidere în 1906. În 1912, ipoteza despre structura atomică a materiei a fost dovedită prin experimentele lui Max von Laue.
4. 4. Structura este baza pentru înțelegerea proprietăților și comportamentului materialelor (de la http://nobelprize.org) Zinc blende ZnS. Una dintre primele structuri rezolvate de Braggs în 1913. Surpriză: NU există molecule de ZnS în structură!
5. 5. Difracția cu raze X este metoda principală pentru determinarea experimentală a structurii cristaline Structura Modelul de difracție
6. 6. Relația dintre structură și modelul de difracție Care vor fi modelele de difracție ale acestor „structuri”?
7. 7. Triumfurile experimentului - determinarea structurilor cristaline incredibil de complexe Faze incomensurate Quasicristale ale elementelor Proteine ​​(Rb-IV, U.Schwarz’99) O nouă stare a materiei descoperită în 1982. Găsită în natură abia în 2009! Premiul Nobel 2011!
8. 8. Stări ale materiei Cristalină Quasicristalină Amorf Lichid Gazos („Materie moale” – polimeri, cristale lichide)
9. 9. Structura atomică este cea mai importantă caracteristică a unei substanțe. Cunoscând-o, se pot prezice proprietățile materialului și structura sa electronică Teoria Exp. C11 493 482 C22 546 537 C33 470 485 C12 142 144 C13 146 147 C23 160 146 C44 212 204 C55 186 186 Constante elastice ale perovskitului 1461463 146
10. 10. Mai multe povestiri 4. Materiale din interiorul pământului 3. Materiale dintr-un computer 2. Este posibil să le prezicem pe cele cristaline? Despre legătura dintre structură, structură și proprietăți
11. 11. De ce gheața este mai ușoară decât apa?Structura gheții conține canale mari goale care nu sunt prezente în apa lichidă. Prezența acestor canale goale face gheața mai ușoară decât gheața.
12. 12. Hidrații de gaz (clatrați) - gheață umplută cu molecule invitate (metan, dioxid de carbon, clor, xenon etc.) Numărul de publicații despre clatrați Depozite imense de hidrat de metan - speranță și salvare pentru sectorul energetic? Sub presiune scăzută, metanul și dioxidul de carbon formează clatrați - 1 litru de clatrat conține 168 de litri de gaz! Hidratul de metan arată ca gheața, dar arde pentru a elibera apă. Hidrat de CO2 - o formă de îngropare a dioxidului de carbon? Mecanismul anesteziei cu xenon este formarea de Xe-hidrat, care blochează transmiterea semnalelor neuronale către creier (Pauling, 1951)
13. 13. Materiale microporoase pentru industria chimică și curățarea mediului Zeoliții sunt aluminosilicați microporoși.Separarea octanului și izo-octanului de către zeoliți sunt utilizați în aplicații chimice. industrie Exemple istorice de otrăvire cu metale grele: Qin Shi Huangdi Ivan IV cel Groaznic „Boala lui Nero (37-68) Plumb (259 – 210 î.Hr.) (1530-1584) otrăvire nebună: pălărie” agresiune, demență
14. 14. Supraconductori noi și vechi Fenomenul a fost descoperit în 1911 de Kamerlingh Onnes Theory of supraconductivity - 1957 (Bardeen, Cooper, Schrieffer), dar nu există o teorie a supraconductorilor de cea mai înaltă temperatură (Bednorz, Muller, 1986)! Cei mai puternici magneți (RMN, spectrometre de masă, acceleratoare de particule) Trenuri cu levitație magnetică (430 km/h)
15. 15. Surpriză: forme de impurități supraconductoare ale carbonului 1,14 1 Tc  exp[ ] kB g (E F)V Grafit dopat: KC8 (Tc=0,125 K), CaC6 (Tc=11 K). Diamantul dopat B: Tc=4 K. Fulerene dopate: RbCs2C60 (Tc=33 K) Molecula moleculei Structura și aspectul cristalelor de fulerenă Fullerită C60 Supraconductivitatea în cristale organice este cunoscută din 1979 (Bechgaard, 1979).
16. 16. Cum pot salva sau distruge materialele La temperaturi scăzute, staniul trece printr-o tranziție de fază - „ciuma staniului”. 1812 - conform legendei, expediția lui Napoleon în Rusia a murit din cauza nasturii de tablă de pe uniforme! 1912 – decesul expediției căpitanului R.F. Scott la Polul Sud, care a fost atribuit „ciumei de staniu”. Tranziție de ordinul întâi la 13 0C Tină albă: 7,37 g/cm3 Staniu gri: 5,77 g/cm3
17. 17. Aliaje cu memorie de formă 1 2 3 4 1- înainte de deformare 3- după încălzire (20°C) (50°C) 2- după deformare 4- după răcire (20°C) (20°C) Exemplu: NiTi ( nitinol ) Aplicații: Shunt, aparate dentare, componente pentru conducte de petrol și motoare de avioane
18. 18. Miracole ale proprietăților optice Pleocroismul (cordieritul) - descoperirea Americii și navigația Forțelor Aeriene ale SUA Birefringența luminii (calcit) Efectul alexandrit (crisoberil) Potir de Lycurgus (sticlă cu nanoparticule)
19. 19. Despre natura culoriiLungime de undă, Å Culoare Culoare complementară4100 Violet Galben lămâie4300 Galben indigo4800 Albastru Portocaliu5000 Albastru-verde Roșu5300 Verde Violet5600 Galben lămâie Violet5800 Galben Indigo6100 Portocaliu Albastru6800 Roșu Albastru-verde
20. 20. Culoarea depinde de direcție (pleocroism). Exemplu: cordierit (Mg,Fe)2Al4Si5O18.
21. 21. 2. Predicția structurilor cristaline Oganov A.R., Lyakhov A.O., Valle M. (2011). Cum funcționează predicția evolutivă a structurii cristaline - și de ce. Acc. Chim. Res. 44, 227-237.
22. 22. J. Maddox (Nature, 1988) Sarcina este să găsești minimul GLOBAL de energie Natom Variants Time. 1 1 1 sec. Enumerarea tuturor structurilor este imposibilă: 10 1011 103 ani. 20 1025 1017 ani. 30 1039 1031 ani. Prezentare generală a metodei USPEX (ARO & Glass, J.Chem.Phys. 2006)
23. 23. Cum să găsești Muntele Everest folosind evoluția cangurului? (poza de la R. Clegg) Debarcam cangurii si le permitem sa se reproduca (nu este afisat din motive de cenzura).....
24. 24. Cum să găsești Muntele Everest folosind evoluția cangurului? (poza de la R.Clegg) Aaaargh! Ai... și din când în când vin vânători și scot canguri la altitudini mai mici
25. 25.
26. 26. Calculele evolutive „se autoinvata” si concentreaza cautarea pe cele mai interesante zone ale spatiului
27. 27. Calculele evolutive „se autoinvata” si concentreaza cautarea pe cele mai interesante zone ale spatiului
28. 28. Calculele evolutive „se autoinvata” si concentreaza cautarea pe cele mai interesante zone ale spatiului
29. 29. Calculele evolutive „se autoinvata” si concentreaza cautarea pe cele mai interesante zone ale spatiului
30. 30. Metode alternative: Căutare aleatoare (Freeman & Catlow, 1992; van Eijck & Kroon, 2000; Pickard & Needs, 2006) Fără „învățare”, funcționează doar pentru sisteme simple (până la 10-12 atomi). Recoacere artificială (Pannetier). 1990; Schön & Jansen 1996) Metadinamică fără „învățare” (Martonak, Laio, Parrinello 2003) Căutare tabu în spațiu cu dimensiuni reduse Minima hopping (Gödecker 2004) Folosește istoricul de calcul și „auto-învățare”. Algoritmii genetici si evolutivi Bush (1995), Woodley (1999) sunt o metoda ineficienta pentru cristale. Deaven & Ho (1995) este o metodă eficientă pentru nanoparticule.
31. 31. USPEX (Universal Structure Predictor: Evolutionary Xtallography) (aleatorie) populație inițială O nouă generație de structuri este produsă numai din cele mai bune structuri actuale (1) Ereditate (3) Coordonate (2) Mutație latice (4) Permutație
32. 32. Tehnici suplimentare - parametrul de ordine „Amprenta” structurii Nașterea ordinii din haos în procesul evolutiv [„DUMNEZEU = Generator de Diversitate” © S. Avetisyan] Ordinea locală – indică zonele defecte
33. 33. Test: „Cine ar ghici că grafitul este alotropul stabil al carbonului la presiunea obișnuită?” (Maddox, 1988) Structura sp2 tridimensională propusă Grafitul a fost corect prezis de R. Hoffmann (1983) ca o fază stabilă la 1 atm Structurile cu hibridizare cu energie sp3 scăzută ilustrează hibridizarea sp2 chimia carbonului hibridizarea sp (carbyne)
34. Test: Fazele de înaltă presiune sunt de asemenea reproduse corect100 GPa: diamantul este stabil 2000 GPa: faza bc8 este stabilă + faza metastabilă găsită, explicând faza metastabilă bc8 a siliciului „grafit superhard” este cunoscut (Kasper, 1964) (Li, ARO, Ma, et al., PRL 2009)
35. 35. Descoperiri realizate cu USPEX:
36. 36. 3. Materiale de la calculator
37. 37. Descoperirea de noi materiale: încă o metodă experimentală de încercare și eroare „Nu am suferit (zece mii) eșecuri, ci am descoperit doar 10.000 de metode care nu au funcționat” (T. A. Edison)
38. 38. Căutați cea mai densă substanță: sunt posibile modificările carbonului mai dense decât diamantul? Da Structura diamantului Diamantul are cel mai mic volum atomic și cea mai mare incompresibilitate dintre toate structurile, elementele (și compușii) noi. mai dens decât diamantul! (Zhu, ARO, et al., 2011)
39. 39. Analogia formelor de carbon și silice (SiO2) ne permite să înțelegem densitatea noilor forme de carbon Structuri noi, cu 1,1-3,2% mai dense decât diamantul, indici de refracție foarte mari (până la 2,8!) și diamant de dispersie ușoară. Structura hP3 Structura tP12 Structura tI12SiO2 cristobalit SiO2 cuarț SiO2 kitit faza SiS2 de înaltă presiune
40. 40.
41. 41. Cel mai dur oxid este TiO2? (Dubrovinsky și colab., Nature 410, 653-654 (2001)) Nishio-Hamane (2010) și Al-Khatatbeh (2009): modul de compresie ~300 GPa, nu 431 GPa. Lyakhov & ARO (2011): Experimentele sub presiune sunt foarte dificile! Duritate nu mai mare de 16 GPa! TiO2 este mai moale decât SiO2 stishovit (33 GPa), B6O (45 GPa), Al2O3 corindon (21 GPa).
42. 42. Există posibile forme de carbon mai dur decât diamantul? Nu . Material Model Li Lyakhov Exp. Duritate, entalpie și colab. & ARO Structura GPa eV/atom (2009) (2011) Diamant 89,7 0,000 Diamant 91,2 89,7 90 Lonsdaleit 89,1 0,026 Grafit 57,4 0,17 0,14 C2/m 84,3 0.24-m 84.3 0.24- 163 20.4 mm 84,0 0,198 β-Si3N4 23,4 23,4 21 Cmcm 83.5 0.282SiO2 stishovit 31.8 30.8 33 P2/m 83.4 0.166 I212121 82.9 0.784 Fmmm 82.2 0.322 Cmcm 82.0 0.222 Cmcm 82.0 0.224 81.0 0.224 P2/m 83.4 0.166 I212121. ization Calcul evolutiv
43. 43. Compresia la rece a grafitului produce carbon M, nu diamant! M-carbon a fost propus în 2006. În 2010-2012. au fost propuse zeci de structuri alternative (W-, R-, S-, Q-, X-, Y-, Z-carbon, etc.) M-carbonul a fost confirmat de cele mai recente experimente M-carbonul se formează cel mai ușor din grafit grafit bct4-carbon graphite M -carbon grafit diamant
44. 44. M-carbon - o nouă formă de lonsdaleit de carbon diamantgrafit Diagrama teoretică de fază a carabinelor cu carbon M-carbonfullerenes
45. 45. Substanță sub presiune în natură P.W. Bridgman 1946 laureat Nobel (fizică) 200xScală: 100 GPa = 1 Mbar =
46. Neptun are o sursă de căldură internă - dar de unde provine CH4? Uranus și Neptun: H2O:CH4:NH3 = 59:33:8. Neptun are o sursă internă de energie (Hubbard '99). Ross'81 (și Benedetti'99): CH4=C(diamant) + 2H2. Caderea diamantului este principala sursă de căldură pe Neptun? Teoria (Ancilotto'97; Gao'2010) confirmă acest lucru. metan hidrocarburi diamant
47. 47. Borul se află între metale și nemetale și structurile sale unice sunt sensibile la impuritățile B, temperatură și presiune alfa-B beta B T-192
48. 48. Istoria descoperirii și cercetării borului este plină de contradicții și întorsături detective B 1808: J.L.Gay-Lussac și H.Davy anunță descoperirea unui nou element - borul.J.L. Gay-Lussac H. Davy 1895: H. Moissan a dovedit că substanțele pe care le-au descoperit nu conțineau mai mult de 50-60% bor. Totuși, materialul Moissan s-a dovedit a fi un compus cu un conținut de bor mai mic de 90%. H. Moissan 1858: F. Wöhler a descris 3 modificări ale borului - „diamant”, „grafit” și „asemănător cărbunelui”. Toți trei s-au dovedit a fi compuși (de exemplu, AlB12 și B48C2Al). 2007: au fost publicate ~16 modificări de cristal (majoritatea sunt compuși?). Nu se știe care formă este cea mai stabilă. F. Wöhler
49. 49. Sub presiune, borul formează o structură parțial ionică! B 2004: Chen și Solozhenko: au sintetizat o nouă modificare a borului, dar nu au putut rezolva structura acestuia. 2006: Oganov: a definit structura, a demonstrat stabilitatea acesteia. 2008: Solozhenko, Kurakevich, Oganov - această fază este una dintre cele mai dure substanțe cunoscute (duritate 50 GPa). Difracție cu raze X. Sus - teorie, Jos - experiment Structura gamma-borului: (B2)δ+(B12)δ-, δ=+0,5 (ARO et al., Nature 2009) Distribuția celor mai (stânga) și puțin (dreapta) electroni stabili.
50. 50. Prima diagramă de fază a borului - după 200 de ani de cercetare! Diagrama de fază BBoron (ARO și colab., Nature 2009)
51. 51. Sodiul este un metal perfect descris de modelul cu electroni liberi
52. 52. Sub presiune, sodiul își schimbă esența - „transformare alchimică” Na 1807: Sodiu descoperit de Humphry Davy. 2002: Hanfland, Syassen, et al. – primul indiciu de chimie extrem de complexăH. Davy sodiu sub presiune peste 1 Mbar. Gregoryants (2008) – date mai detaliate. Sub presiune, sodiul devine parțial un d-metal!
53. 53. Am prezis o nouă structură care este un nemetal transparent! Sodiul devine transparent la o presiune de ~2 Mbar (Ma, Eremets, ARO et al., Nature 2009) Electronii sunt localizați în „spațiul gol” al structurii, ceea ce face ca sodiul comprimat să fie un nemetal.
54. Studiul mineralelor nu este doar o plăcere estetică, ci și o direcție științifică de importanță practic și fundamental.Efectul scăderii punctului de topire de către impurități.Aliajul lemnului - se topește la 70 C. Bi-Pb-Sn-Cd-In-Tl. aliaj - la 41,5 C!
55. 64. Care este compoziția nucleului interior al Pământului? Miezul este ceva mai puțin dens decât fierul pur. În miez, Fe este aliat cu elemente ușoare - cum ar fi S, Si, O, C, H. Sunt prevăzuți noi compuși (FeH4!) în sistemele Fe-C și Fe-H. Carbonul poate fi conținut în miez în cantități mari [Bazhanova, Oganov, Dzhanola, UFN 2012]. Procentul de carbon din miezul interior necesar pentru a explica densitatea acestuia
56. 65. Natura stratului D” (2700-2890 km) a rămas multă vreme un mister D” – rădăcina fluxurilor de manta fierbinte Se așteaptă ca MgSiO3 să constituie ~75 vol.% Ciudățenii stratului D”: ruptură seismică , anizotropie Să ne amintim de anizotropia culorii cordieritei!
57. 66. Soluția este existența unui nou mineral, MgSiO3 post-perovskit în stratul D" (2700-2890 km) Diagrama de fază D" discontinuitate MgSiO3 Explică existența stratului D, vă permite să calculați temperatura acestuia Explica variațiile în lungimea zilei MgSiO3 Stratul D" crește post-perovskit pe măsură ce Pământul se răcește D" absent din Mercur și Marte Noua familie de minerale prezisă Confirmare – Tschauner (2008)
58. 67. Structura materiei este cheia înțelegerii lumii 4. Înțelegerea interiorului planetar se adâncește 3. Calculatorul învață să prezică noi materiale 2. Este deja posibil să preziceți structurile cristaline1. Structura definește proprietățile
59. 68. Mulțumiri: Studenții mei, studenții absolvenți și postdoctoranzi:A. Lyakhov Y. Ma S.E. Boulfelfel C.W. Glass Q. Zhu Y. Xie Colegi din alte laboratoare: F. Zhang (Perth, Australia) C. Gatti (U. Milano, Italia) G. Gao (Universitatea Jilin, China) A. Bergara (U. Țara Bascilor, Spania) I. Errea (U. Țara Bascilor, Spania) M. Martinez-Canales (UCL, U.K.) C. Hu (Guilin, China) M. Salvado & P. ​​​​Pertierra (Oviedo, Spania) V.L. Solozhenko (Paris) D.Yu. Pușcharovski, V.V. Brazhkin (Moscova) Utilizatori ai programului USPEX (>1000 de persoane) - http://han.ess.sunysb.edu/~USPEX

— Să înțelegem proiectarea computerizată a materialelor noi. În primul rând, ce este? Domeniul de cunoaștere? Când apare ideea și această abordare?

— Această zonă este destul de nouă, are doar câțiva ani. Designul computerizat al noilor materiale în sine a fost un vis al cercetătorilor, tehnologilor și oamenilor de știință fundamentali timp de multe decenii. Pentru că procesul de descoperire a unui nou material cu proprietățile de care aveți nevoie necesită de obicei mulți ani sau chiar zeci de ani de muncă de către institute și laboratoare întregi. Acesta este un proces foarte costisitor și este posibil să fiți dezamăgit la sfârșit. Adică nu ești întotdeauna capabil să inventezi un astfel de material. Dar chiar și atunci când obții succes, succesul poate necesita ani de muncă. Acest lucru nu ne convine deloc acum; vrem să inventăm noi materiale, noi tehnologii cât mai repede posibil.

— Puteți da un exemplu de material care nu poate fi inventat sau nu ar putea fi inventat?

- Da sigur. De exemplu, de multe decenii oamenii au încercat să vină cu un material mai dur decât diamantul. Au existat sute de publicații pe această temă. În unele dintre ele, oamenii au susținut că a fost găsit un material mai dur decât diamantul, dar apoi inevitabil, după ceva timp (de obicei nu foarte mult), aceste afirmații au fost respinse și s-a dovedit că era o iluzie. Până acum, nu a fost găsit un astfel de material și este complet clar de ce. Folosind metodele noastre, am reușit să arătăm că acest lucru este fundamental imposibil, așa că nu are rost să pierdem nici măcar timpul.

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

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

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

- Marele Edison a spus, în opinia mea, în legătură cu invenția sa a becului incandescent: „Nu am eșuat de zece mii de ori, ci am găsit doar zece mii de moduri care nu funcționează”. Acesta este stilul tradițional de căutare a materialelor noi, care se numește Edisonian în literatura științifică. Și, bineînțeles, oamenii și-au dorit întotdeauna să se îndepărteze de această metodă, deoarece necesită noroc Edison rar și răbdare Edisoniană. Și mult timp, precum și bani. Această metodă nu este foarte științifică, este mai degrabă un „poke” științific. Și oamenii și-au dorit întotdeauna să se îndepărteze de asta. Când au apărut computerele și au început să rezolve probleme mai mult sau mai puțin complexe, imediat a apărut întrebarea: „Este posibil să sortăm toate aceste combinații de diferite condiții, temperaturi, presiuni, potențiale chimice, compoziție chimică pe un computer în loc să o facem în un laborator?” La început, speranțele erau foarte mari. Oamenii au privit asta puțin optimist și euforic, dar în curând toate aceste vise au fost spulberate de viața de zi cu zi. Cu metodele prin care oamenii au încercat să rezolve problema, în principiu, nimic nu s-a putut realiza.

- De ce?

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

— Designul computerelor este încă gândit, sau cel puțin simțit, ca un lucru vizual. Din câte am înțeles, în anii 60, 70 sau 80 această decizie nu era vizuală, ci matematică, adică era un calcul mai rapid, un calcul.

— După cum înțelegeți, atunci când obțineți numere pe un computer, le puteți vizualiza oricând, dar asta nu este tot.

— În general, aceasta este doar o chestiune de pregătire a tehnologiei pentru a face acest lucru.

- Da. Numărarea numerică este primară, pentru că din numere poți face oricând o imagine, iar dintr-o imagine, probabil, și numere, deși nu foarte precise. Au existat o serie de publicații celebre de la mijlocul anilor 80 până la mijlocul anilor 90 care au insuflat în cele din urmă pesimismul în domeniul nostru. De exemplu, a existat o publicație minunată care spunea că chiar și substanțe atât de simple precum grafitul sau gheața sunt absolut imposibil de prezis. Sau a existat un articol numit „Sunt structurile de cristal previzibile”, iar primul cuvânt al articolului a fost „nu”.

— Ce înseamnă „previzibil”?

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

- Chiar și așa?

- Chiar și așa. Dar nimic nu este mai greu decât un diamant. Oamenii au învățat abia recent să răspundă la acest tip de întrebări. Mai recent, au apărut algoritmi, au apărut programe care pot face asta. În acest caz, de fapt, toată această zonă de cercetare s-a dovedit a fi conectată cu munca noastră în 2006. După aceasta, mulți alți cercetători au început să studieze această problemă. În general, încă nu ne lipsește palma și venim cu tot mai multe metode noi, materiale noi și noi.

- "Cine suntem noi?

— Sunt eu și studenții mei, studenții absolvenți și asistenții de cercetare.

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

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

— Aș dori să înțeleg cum inventați, veniți cu materiale noi folosind un exemplu specific.

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

— În același timp, momentele în care respingem, comparăm, conectăm și schimbăm structura sunt făcute de inteligență artificială, de un program? Nu un om?

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

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

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

- Ce fel de?

— Studiez de multă vreme fizica și chimia de înaltă presiune. Acesta este un domeniu în care s-au făcut experimental multe descoperiri interesante. Dar experimentele sunt complexe și de foarte multe ori rezultatele experimentale se dovedesc a fi incorecte în timp. Experimentele sunt costisitoare și necesită forță de muncă.

- Dă un exemplu.

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

— Ai spus că aceasta este o sarcină fundamentală. Sau rezolvați mai întâi problemele fundamentale și doar recent unele probleme practice? Povestea sodiului. Pentru ce? Adică ai stat și te-ai așezat și te-ai gândit ce să iei - voi lua sodiu, probabil, și îl voi comprima în 2 milioane de atmosfere?

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

— Au luat metoda ta, au luat tehnologia căutării materialelor, dar tu nu?

- Da sigur. Nu ne impunem ca o povară, ci încercăm să ajutăm toți cercetătorii. Programul nostru este disponibil pentru oricine dorește să-l folosească. Companiile trebuie să plătească ceva pentru dreptul de a utiliza programul. Iar oamenii de știință care lucrează în știința academică îl primesc gratuit prin simpla descărcare de pe site-ul nostru. Programul nostru are deja aproape 2 mii de utilizatori din întreaga lume. Și sunt foarte fericit când văd că utilizatorii noștri realizează ceva bun. Eu și grupul meu avem mai mult decât suficiente din propriile noastre descoperiri, propriile noastre lucrări, propriile noastre intuiții. Când vedem același lucru în alte grupuri, ne face doar fericiți.

Materialul a fost pregătit pe baza emisiunii radio PostNauka la postul de radio al Serviciului de Știri din Rusia.

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

Puteți căuta structuri cu cea mai scăzută energie prin forță brută: plasând aleatoriu atomii unul față de celălalt și analizând fiecare astfel de stare. Dar, deoarece numărul de opțiuni este uriaș (chiar dacă există doar 10 atomi, vor exista aproximativ 100 de miliarde de posibilități pentru aranjarea lor unul față de celălalt), calculul ar dura prea mult timp. Prin urmare, oamenii de știință au reușit să obțină succes numai după ce au dezvoltat o metodă mai vicleană. Algoritmul USPEX se bazează pe o abordare evolutivă (Fig. 2). În primul rând, un număr mic de structuri sunt generate aleatoriu și energia lor este calculată. Sistemul elimină opțiunile cu cea mai mare energie, adică cele mai puțin stabile, și generează altele similare din cele mai stabile și le calculează. În același timp, computerul continuă să genereze aleatoriu noi structuri pentru a menține diversitatea populației, care este o condiție esențială pentru o evoluție de succes.

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

Una dintre noile sarcini stabilite pentru USPEX la MIPT este prezicerea structurii terțiare a proteinelor din secvența lor de aminoacizi. Această problemă a biologiei moleculare moderne este una dintre cele cheie. În general, oamenii de știință se confruntă cu o sarcină foarte dificilă și pentru că este dificil să se calculeze energia pentru o moleculă atât de complexă precum o proteină. Potrivit lui Artem Oganov, algoritmul său este deja capabil să prezică structura peptidelor lungi de aproximativ 40 de aminoacizi.

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

Explicația USPEX

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

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

Figura 3. Artem Romaevici Oganov

Aterizați o mică forță de bioroboți pe planetă, trimițându-i unul câte unul în locuri aleatorii. Instrucțiunea pe care trebuie să o urmeze fiecare robot este să meargă de-a lungul suprafeței împotriva forțelor de atracție gravitațională și, în cele din urmă, să ajungă în vârful celui mai apropiat deal, ale cărui coordonate trebuie să raporteze la baza orbitală. Nu avem fonduri pentru un contingent mare de cercetare, iar probabilitatea ca unul dintre roboți să urce imediat pe cel mai înalt munte este extrem de mică. Aceasta înseamnă că este necesar să se aplice principiul binecunoscut al științei militare ruse: „luptă nu cu numere, ci cu pricepere”, care este implementat aici sub forma unei abordări evolutive. Luând orientarea celui mai apropiat vecin, roboții se întâlnesc și reproduc propriul lor fel, plasându-i de-a lungul liniei dintre vârfurile „lor”. Progeniturile bioroboților încep să efectueze aceleași instrucțiuni: se deplasează în direcția cotei reliefului, explorând zona dintre cele două vârfuri ale „părinților” lor. Acei „indivizi” care au întâlnit vârfuri sub nivelul mediu sunt rechemați (așa se face selecția) și introduși din nou la întâmplare (așa este modelată menținerea „diversității genetice” a populației).”

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

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

Domenii de activitate ale laboratorului: de la termoelectrice la medicamente

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

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

Interesant, USPEX a adus deja beneficii chiar și medicinii: „Mai mult, dezvoltăm noi medicamente. În special, am prezis, obținut și brevetat un nou medicament,– spune A.R. Oganov. - Este hidrat de 4-aminopiridină, un medicament pentru scleroza multiplă”.

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

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

Figura 4. Valery Roizen este unul dintre autorii brevetului pentru un medicament pentru scleroza multiplă, angajat al laboratorului de proiectare computerizată a materialelor, dezvoltând noi forme de dozare de medicamente și implicat activ în popularizarea științei.

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

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

Descoperirea de noi structuri chimice

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

Figura 7. Oleg Feya, student absolvent la MIPT, angajat al Laboratorului de Proiectare Calculatoare a Materialelor și unul dintre autorii descoperirii unei noi structuri de carbon. În timpul liber, Oleg este angajat în popularizarea științei: articolele sale pot fi citite în publicațiile „Pisica lui Schrödinger”, „Pentru știință”, STRF.ru, „Țara Rosatom”. În plus, Oleg este câștigătorul de la Moscova Science Slamși un participant la emisiunea TV „The Smartest”.

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

Nouă chimie de înaltă presiune

Laboratorul de proiectare a materialelor asistate de calculator studiază care substanțe vor fi stabile la presiuni mari. Iată cum susține șeful laboratorului interesul pentru astfel de cercetări: „Studim materialele sub presiune ridicată, în special noua chimie care apare în astfel de condiții. Aceasta este o chimie foarte neobișnuită, care nu se încadrează în regulile tradiționale. Cunoștințele dobândite despre noii compuși vor duce la înțelegerea a ceea ce se întâmplă în interiorul planetelor. Deoarece aceste substanțe chimice neobișnuite pot apărea ca materiale foarte importante în interiorul planetar.” Este dificil de prezis cum se vor comporta substanțele la presiune ridicată: majoritatea regulilor chimice nu mai funcționează, deoarece aceste condiții sunt atât de diferite de ceea ce suntem obișnuiți. Cu toate acestea, trebuie să înțelegem acest lucru dacă vrem să știm cum funcționează Universul. Partea leului din materia barionică din Univers este sub presiune ridicată în interiorul planetelor, stelelor și sateliților. În mod surprinzător, se știe încă foarte puține despre chimia sa.

Noua chimie, care se realizează la presiune înaltă în Laboratorul de Proiectare Calculatoare a Materialelor de la MIPT, este studiată de dr. (o diplomă similară cu Candidatul la Științe) Gabriele Saleh:

„Sunt chimist și sunt interesat de chimia de înaltă presiune. De ce? Pentru că avem reguli de chimie care au fost formulate acum 100 de ani, dar recent s-a dovedit că nu mai funcționează la presiuni mari. Și asta este foarte interesant! Este ca un parc de distracții: există un fenomen pe care nimeni nu-l poate explica; explorarea unui nou fenomen și încercarea de a înțelege de ce se întâmplă este foarte interesant. Am început conversația cu lucruri fundamentale. Dar presiuni mari există și în lumea reală. Desigur, nu în această cameră, ci în interiorul Pământului și pe alte planete.” .

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

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

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

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

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

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

Un alt exemplu de chimie neobișnuită care poate fi dat se referă la sarea de masă comună, NaCl. Se dovedește că dacă poți crea o presiune de 350 GPa în agitatorul tău de sare, vei obține noi conexiuni. În 2013, sub conducerea A.R. Oganov a arătat că, dacă se aplică o presiune mare asupra NaCl, atunci compușii neobișnuiți devin stabili - de exemplu, NaCl 7 (Fig. 10) și Na3Cl. Interesant este că multe dintre substanțele descoperite sunt metale. Gabriele Saleh și Artem Oganov au continuat munca de pionierat în care au arătat comportamentul exotic al clorurilor de sodiu la presiune ridicată și au dezvoltat un model teoretic care poate fi folosit pentru a prezice proprietățile compușilor halogen din metale alcaline.

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

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

Chimia are nevoie de reguli noi

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

Figura 11. Gabriele Saleh

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

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

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

Dacă experimentezi, fă-o selectiv

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

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

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

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

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

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

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

Trebuie să lucrezi cu pasiune!

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

„În primul rând, trebuie să aibă o educație bună. În al doilea rând, fiți muncitori din greu. Dacă o persoană este leneșă, atunci nu o voi angaja, iar dacă o angajez din greșeală, va fi dat afară. Pur și simplu am concediat mai mulți angajați care s-au dovedit a fi leneși, inerți și amorfi. Și cred că acest lucru este absolut corect și bun chiar și pentru persoana însuși. Pentru că dacă o persoană nu este în locul lui, nu va fi fericit. Are nevoie să meargă într-un loc în care să lucreze cu foc, cu entuziasm, cu plăcere. Și acest lucru este bun pentru laborator și bun pentru oameni. Și băieții ăia care chiar muncesc frumos, cu pasiune, le plătim un salariu bun, merg la conferințe, scriu articole care apoi sunt publicate în cele mai bune reviste mondiale, totul va fi bine pentru ei. Pentru că sunt la locul potrivit și pentru că laboratorul are resurse bune pentru a le susține. Adică, băieții nu trebuie să se gândească să câștige bani în plus pentru a supraviețui. Se pot concentra asupra științei, asupra activității lor preferate și o pot face cu succes. Acum avem niște granturi noi, iar acest lucru ne deschide oportunitatea de a mai angaja câțiva oameni. Întotdeauna există concurență. Oamenii aplică pe tot parcursul anului; desigur, nu accept pe toată lumea.”. (2016). Hidrat cristalin de 4-aminopiridină, metoda de preparare a acestuia, compoziția farmaceutică și metoda de tratament și/sau prevenire pe baza acestuia. Fiz. Chim. Chim. Fiz. 18 , 2840–2849;

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

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

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

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

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

Prin urmare, este necesar să se creeze o tehnologie care să poată face predicții fără erori. Adică, nu experimentați în laboratoare, ci dați computerului sarcina de a prezice ce material, cu ce compoziție și temperatură, va avea proprietățile dorite în anumite condiții. Iar computerul, trecând prin numeroase opțiuni, va putea răspunde ce compoziție chimică și ce structură cristalină va îndeplini cerințele date. Rezultatul poate fi că materialul pe care îl căutați nu există. Sau el există și nu este singur.
Și aici apare o a doua problemă, a cărei soluție nu a fost încă rezolvată: cum să obțineți acest material? Adică, compoziția chimică și structura cristalului sunt clare, dar încă nu există nicio modalitate de a le implementa, de exemplu, la scară industrială.

Tehnologia de predicție

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

„Dacă te gândești la carbon, să zicem, uită-te la diamant și grafit. Din punct de vedere chimic, sunt aceeași substanță. Dar proprietățile sunt complet diferite. Carbon negru foarte moale și diamant transparent super dur - ce face diferența dintre ele? Este structura cristalină. Datorită acesteia, o substanță este super-dure, cealaltă este super-moale. Unul este un conductor aproape de metal. Celălalt este un dielectric.”

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

„În această abordare, nu încercăm să încercăm toată varietatea infinită de structuri cristaline. O vom încerca pas cu pas, începând cu un mic eșantion aleator, în cadrul căruia ierarhăm soluțiile posibile, lepădându-le pe cele mai proaste. Iar din cele mai bune producem variante subsidiare. Variantele fiice sunt produse prin diverse mutații sau prin recombinare - prin ereditate, unde din doi părinți combinăm diferite caracteristici structurale ale compoziției. Din aceasta rezultă o structură fiică - un material fiică, o compoziție chimică fiică, o structură fiică. Acești compuși subsidiari sunt apoi evaluați. De exemplu, prin stabilitate sau prin proprietatea chimică sau fizică care vă interesează. Și le aruncăm pe cele care au fost clasificate ca neprofitabile. Celor care sunt promițători li se acordă dreptul de a produce urmași. Prin mutație sau ereditate producem următoarea generație.”

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

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

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

Problema cu diamantul

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

„Un calcul simplu pe calculator, efectuat de grupul meu, arată că un astfel de material nu poate exista. De fapt, singurul lucru mai greu decât diamantul poate fi diamantul, dar în formă nano-cristalină. Alte materiale nu pot învinge diamantul în ceea ce privește duritatea.”

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

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

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

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

Puteți citi despre alte zone ale laboratorului lui Artem la link și puteți citi cartea lui Metode moderne de predicție a structurii cristaline