Комп'ютерний дизайн для нових матеріалів. Лабораторія комп'ютерного дизайну матеріалів: що може надати USPEX? Комп'ютерний дизайн матеріалів

Ми публікуємо текст лекції, прочитаної професором Університету штату Нью-Йорк, ад'юнкт-професор МДУ, почесним професором Гуйлинського університетуАртемом Огановим 8 вересня 2012 року в рамках циклу «Публічних лекцій «Політ.ру» на книжковому фестивалі просто неба BookMarket у парку мистецтв "Музеон".

«Публічні лекції "Політ.ру"» проводяться за підтримки:

Текст лекції

Я дуже вдячний організаторам цього фестивалю та «Політ.ру» за запрошення. Для мене велика честь читати цю лекцію; сподіваюся, вона буде вам цікавою.

Лекція має пряме відношення до нашого майбутнього, тому що майбутнє наше неможливе без нових технологій, технологій, що стосуються нашої якості життя, ось iPad, ось наш проектор, вся наша електроніка, енергозберігаючі технології, технології, які застосовуються для очищення навколишнього середовища, технології, які застосовуються в медицині і так далі, - все це залежить величезною мірою від нових матеріалів, нові технології вимагають нових матеріалів, матеріалів з унікальними, особливими властивостями. І про те, як можна ці нові матеріали розробляти не в лабораторії, а на комп'ютері, йтиметься розповідь.

Лекція називається: "Комп'ютерний дизайн нових матеріалів: мрія чи реальність?". Якби це було зовсім мрією, то лекція не мала б сенсу. Мрії - це щось, як правило, не зі сфери реальності. З іншого боку, якби це було вже повністю реалізовано, лекція теж не мала б сенсу, тому що нового роду методології, у тому числі теоретичні обчислювальні, коли вони вже повністю розроблені, переходять з розряду науки в розряд промислових рутинних завдань. Насправді ця область абсолютно нова: комп'ютерний дизайн нових матеріалів знаходиться десь посередині між мрією - тим, що неможливо, тим, що ми мріємо на дозвіллі, - і реальністю, це ще не до кінця завершена область, це область, яка розробляється прямо зараз. І ця область дозволить у найближчому майбутньому відступити від традиційного методу відкриття нових матеріалів, лабораторного, і приступити до комп'ютерного дизайну матеріалів, це було б і дешевше, і швидше, багато в чому навіть надійніше. А ось як це робити, я й розповім. Це безпосередньо стосується проблеми передбачення, прогнозу структури речовини, оскільки структура речовини визначає його властивості. Різна структура однієї й тієї ж речовини, скажімо, вуглецю, визначає надтвердий алмаз та надм'який графіт. Структура у разі - це все. Структура речовини.

Загалом ми цього року святкуємо сторічний ювілей перших дослідів, які дозволили відкрити структуру речовини. Дуже давно, ще з античних часів, люди висували гіпотези, що речовина складається з атомів. Згадку про це можна знайти, наприклад, у Біблії, в різних індійських епосах, і досить докладно розроблені згадки про це можна побачити у Демокріта та Лукреція Кара. І перша згадка, як влаштована речовина, як ця речовина складається з цих дискретних частинок, атомів, належать Йоганну Кеплеру, великому математику, астроному і навіть астрологу - тоді астрологія вважалася ще наукою, на жаль. Кеплер намалював перші картинки, в яких пояснював шестикутну форму сніжинок, і структура льоду, запропонована Кеплером, хоч і відрізняється від дійсності, багато в чому їй подібна. Проте гіпотеза про атомарну будову речовини залишалася гіпотезою аж до 20 століття, поки сто років тому вперше ця гіпотеза не стала науково доведеною. Стала вона доведеною за допомогою моєї науки, кристалографії, науки щодо нової, яка народилася в середині 17 століття, 1669 - це офіційна дата народження науки кристалографії, і створив її чудовий датський учений Микола Стенон. Взагалі його звали Нільс Стенсен, він був датчанин, латинізоване ім'я - Микола Стенон. Він заснував не тільки кристалографію, але цілу низку наукових дисциплін, і він сформулював перший закон кристалографії. З цього часу кристалографія по траекторії, що прискорюється, почала свій розвиток.

Микола Стенон мав унікальну біографію. Він став не лише засновником кількох наук, але також був зарахований до лику святих католицької церкви. Кристалографом також був найбільший німецький поет Ґете. І Ґете належить цитата, що кристалографія - непродуктивна, існує всередині самої себе, і взагалі наука ця абсолютно марна, і незрозуміло, навіщо вона потрібна, але як паззл вона дуже цікава, і за рахунок цього приваблює до себе дуже розумних людей. Так говорив Ґете в науково-популярній лекції, яку він прочитав десь на Баденських курортах, багатим байдужим дамам. До речі, є мінерал, названий на честь Ґете, ґете. Треба сказати, що на той час кристалографія справді була досить марною наукою, справді на рівні якихось математичних шарад та пазлів. Але час минув, і 100 років тому кристалографія вийшла з категорії таких наук у собі та стала наукою винятково корисною. Цьому передувала велика трагедія.

Повторюся, атомарна будова речовини залишалася гіпотезою до 1912 року. Великий австрійський фізик Людвіг Больцман побудував усі свої наукові докази на цій гіпотезі про атомарність речовини і був суворо критикований багатьма своїми опонентами: «як ви можете будувати всі свої теорії на недоведеній гіпотезі?» Людвіг Больцман під впливом цієї критики, а також слабкого здоров'я, наклав на себе руки в 1906 році. Він повісився, перебуваючи у відпустці із сім'єю в Італії. Лише через 6 років атомарну будову речовини було доведено. Тож якби він був трохи більш терплячим, він би переміг над усіма своїми опонентами. Терпіння іноді означає більше, ніж розум, терпіння означає більше, ніж навіть геніальність. Так ось - що це були за експерименти? Ці експерименти були зроблені Максом фон Лауе, точніше його аспірантами. Макс фон Лауе сам не робив жодних таких експериментів, але ідея належала йому. Ідея була про те, що якщо речовина дійсно складається з атомів, якщо дійсно, як Кеплер припускав, атоми побудовані в кристалі періодичним регулярним способом, то має спостерігатися цікаве явище. Незадовго до того було відкрито рентгенівське проміння. Фізики на той час добре зрозуміли, що й довжина хвилі випромінювання порівнянна з довжиною періодичності - характеристичної довжиною об'єкта, у разі - кристала, має спостерігатися явище дифракції. Тобто промені подорожуватимуть не тільки строго по прямій, а й відхилятимуться на певні кути. Таким чином, від кристала має спостерігатись якась зовсім особлива картинка дифракції рентгенівських променів. Було відомо, що довжина хвиля рентгенівського випромінювання повинна бути подібною до розмірів атомів, якщо атоми існують, були зроблені необхідні оцінки розміру атомів. Отже, якщо атомарна гіпотеза будови речовини правильна, має спостерігатися дифракція рентгенівських променів кристалів. Що може бути простішим, як перевірити?

Проста ідея, простий експеримент, за який трохи більше, ніж за рік, Лауеотримав Нобелівську премію з фізики І ми можемо спробувати здійснити цей експеримент. Але, на жаль, зараз надто ясно, щоб цей експеримент могли все спостерігати. Але, може, ми спробуємо це з одним свідком? Хто міг би підійти сюди та спробувати спостерігати цей експеримент?

Дивіться. Ось лазерна указка, ми їй світимо – і що тут відбувається? У нас не рентгенівське проміння, а оптичний лазер. А це не структура кристала, а її образ, роздутий у 10 тисяч разів: але й довжина хвилі лазера в 10 тисяч разів перевищує довжину хвилі рентгенівського випромінювання, і таким чином умова дифракції знову виконана - сумісність довжини хвилі з періодом кристалічних ґрат. Ось подивимося на об'єкт, у якому немає регулярної структури, рідина. Ось, Олег, тримай цю картинку, і я світитиму лазером, підійди ближче, картинка буде маленька, оскільки ми не можемо проектувати… дивись, ти бачиш тут колечко, всередині - точка, яка характеризує пряме проходження променя. А ось колечко – це дифракція від неорганізованої структури рідини. Якщо ж перед нами кристал, то картинка буде зовсім іншою. Ось ти бачиш, у нас багато променів, які відхиляються на певні кути.

Олег (добровілець):Напевно, бо більше атомів...

Артем Оганов:Ні, рахунок того, що атоми розташовані строго певним чином, ми можемо спостерігати таку картинку дифракції. Ця картинка дуже симетрична і це важливо. Давайте поаплодуємо Олегу за блискуче проведений експеримент, який сто років тому приніс би йому Нобелівську премію.

Далі - наступного року батько і син Бреггі навчилися розшифровувати дифракційні картинки, визначати їх кристалічні структури. Перші структури були дуже простими, але зараз завдяки новітнім методологіям, за які Нобелівська премія була присуджена в 1985 році, можна розшифровувати вже дуже складні структури, виходячи з експерименту. Ось той експеримент, який ми з Олегом відтворили. Ось вихідна структура, тут молекули бензолу, і таку дифракційну картинку Олег спостерігав. Нині вже за допомогою експерименту можна розшифровувати дуже складні структури, зокрема структури квазікристалів, а за відкриття квазікристалів, цього нового стану твердої речовини, минулого року було надано Нобелівську премію з хімії. Наскільки динамічна ця область, які фундаментальні відкриття відбуваються на нашому віці! Структура білків та інших біологічно-активних молекул також розшифровується за допомогою дифракції рентгенівського вивчення цього великого кристалографічного методу.

Отже, ми знаємо різні стани речовини: упорядковані кристалічний та квазікристалічний, аморфний (невпорядкований твердий стан), а також рідкий, газоподібний стан та різні полімерні стани речовини. Знаючи структуру речовини, ви можете передбачити багато і багато її властивостей, причому з великим ступенем надійності. Ось структура силікату магнію типу перовскіту. Знаючи приблизні позиції атомів, ви можете передбачити, наприклад, таку досить важку властивість, як пружні постійні - ця властивість описується тензором 4 рангу з безліччю компонентів, і цю складну властивість ви можете передбачити з експериментальною точністю, знаючи лише положення атомів. А речовина ця досить важлива, вона становить 40% обсягу нашої планети. Це найпоширеніший матеріал Землі. І ось зрозуміти властивості цієї речовини, яка існує на великих глибинах, можна, знаючи лише розташування атомів.

Я хотів би трохи розповісти про те, як пов'язані властивості зі структурою, як передбачати структуру речовини для того, щоб можна було прогнозувати нові матеріали, і що було зроблено за допомогою такого роду методів. Чому лід легший за воду? Ми всі знаємо, що айсберги плавають і не тонуть, ми знаємо, що крига завжди на поверхні річки, а не на дні. В чому справа? Справа в структурі: якщо ви подивіться на цю структуру льоду, то ви побачите в ній великі шестикутні порожнечі, і коли лід починає плавитися, молекули води забивають ці шестикутні порожнечі, рахунок цього щільність води стає більше, ніж щільність льоду. І ми можемо продемонструвати, як відбувається цей процес. Я вам покажу коротенький фільм, дивіться уважно. Плавлення буде починатися з поверхонь, так воно дійсно відбувається, але це комп'ютерний розрахунок. І ви побачите, як плавлення поширюється всередину... молекули рухаються, і ви бачите, як забиваються ці шестикутні канали, і втрачається правильність структури.

Лід має кілька різних форм, і дуже цікава форма льоду, яка виходить, якщо забити порожнечі структури льоду гостьовими молекулами. Але сама структура у своїй теж зміниться. Я говорю про так звані газові гідрати або клатрати. Ви бачите каркас із молекул води, в якому присутні порожнечі, в яких є гостьові молекули або атоми. Гостьовими молекулами можуть бути метан - природний газ, можливо вуглекислий газ, можливо, наприклад, атом ксенону, і в кожного з цих газових гідратів цікава історія. Справа в тому, що запаси гідрату метану містять на 2 порядки більше природного газу, ніж традиційні родовища газу. Родовища такого типу розташовані, як правило, на морському шельфі та в зонах вічної мерзлоти. Проблема в тому, що люди досі не навчилися безпечно та рентабельно вилучати з них газ. Якщо цю проблему буде вирішено, то людство зможе забути про енергетичну кризу, у нас буде практично невичерпне джерело енергії на найближчі століття. Дуже цікавим є гідрат вуглекислого газу - він може бути використаний як безпечний спосіб поховання надлишків вуглекислоти. Ви закачуєте вуглекислоту під невеликим тиском у лід і скидаєте його на морське дно. Цей лід там зовсім спокійно існує ще багато тисяч років. Гідрат ксенону став поясненням ксенонової анестезії, гіпотеза, яка 60 років тому була висунута великим кристалохіміком Лайнусом Полінгом: справа в тому, що якщо людині дати подихати ксеноном під невеликим тиском, людина перестає відчувати біль. Це використовувалося і, здається, зараз використовується для анестезії при хірургічних операціях. Чому?

Ксенон під невеликим тиском утворює сполуки з молекулами води, утворюючи ті самі газові гідрати, які закупорюють поширення електричного сигналу нервової системи людини. І больовий сигнал з тканини, що оперується, просто не досягає м'язів, завдяки тому, що утворюється саме ось з такою структурою, гідрат ксенону. Це була перша гіпотеза, можливо, істина трошки складніша, але безсумнівно, що істина поряд. Коли ми говоримо про такі пористі речовини, то не можна не згадати мікропористі силікати, так звані цеоліти, які дуже широко використовуються в промисловості для каталізу, а також для поділу молекул при крекінгу нафти. Наприклад, молекули октану і мезооктану чудово поділяються цеолітами: це та сама хімічна формула, але структура молекул трошки різна: одна їх довга і худа, друга - коротка і товста. І та, яка худа, проходить крізь порожнечі структури, а та, яка товста, відсіюється, і тому такі структури, такі речовини, називаються молекулярними ситами. Ці молекулярні сита використовуються для очищення води, зокрема та вода, яку ми п'ємо, в наших кранах, вона повинна проходити через багаторазові фільтрування, у тому числі за допомогою цеолітів. Можна таким чином позбавлятися від забруднення з різними хімічними забруднювачами. Хімічні забруднювачі іноді бувають дуже небезпечні. Історія знає приклади того, як отруєння важкими металами призводило до сумних історичних прикладів.

Судячи з усього, жертвами ртутного отруєння були перші перший імператор Китаю - Цинь Шихуанді, і Іван Грозний, і дуже добре вивчена так звана хвороба божевільного капелюшника, в 18-19 століттях в Англії цілий клас людей, що працюють у капелюшній промисловості, дуже рано занедужували дивним неврологічним захворюванням, яке називається хворобою божевільного капелюшника. Їх мова ставала безладною, їх дії - безглуздими, кінцівки їх неконтрольовано тремтіли, і вони впадали в недоумство і божевілля. Їхнє тіло постійно стикалося з ртуттю, оскільки вони вимочували ці капелюхи в розчинах солей ртуті, яка потрапляла до їхнього тіла і вражала нервову систему. Іван Грозний був дуже прогресивним, добрим царем у віці до 30 років, після цього він відразу змінився - і став божевільним тираном. Коли його тіло було ексгумовано, виявилося, що він різко деформував кістки, і містив вони величезну концентрацію ртуті. Справа в тому, що цар страждав від важкої форми артриту, а в той час артрит лікували втиранням ртутних мазей - це був єдиний засіб, і, можливо, саме ртуть пояснює дивне божевілля Івана Грозного. Цінь Шихуанді, людина, яка створила Китай у його нинішньому вигляді, правила 36 років, причому перші 12 років він був маріонеткою в руках своєї матері, регентші, історія його схожа на історію Гамлета. Мати з коханцем убили його батька, а потім намагалися позбутися і його самого, історія страшна. Але, подорослішавши, він почав правити сам - і за 12 років він припинив міжусобну війну між 7 царствами Китаю, яка тривала 400 років, об'єднав Китай, він об'єднав міри ваги, гроші, уніфікував китайську писемність, він збудував Велику китайську стіну, він збудував 6 ,5 тис. кілометрів шосейних доріг, які досі використовуються, канали, які досі використовуються, і це все зробила одна людина, але в останні роки він страждав на якусь дивну форму маніакального божевілля. Його алхіміки з метою зробити його безсмертним давали йому ртутні пігулки, вони вважали, що це зробить його безсмертним, в результаті ця людина, судячи з усього, що відрізнялася неабияким здоров'ям, померла, не доживши і до 50 років, і останні роки цього короткого життя були затьмарені безумством. Свинцеве отруєння, можливо, зробило своїми жертвами багатьох римських імператорів: у Римі був свинцевий водопровід, акведук, і відомо, що при свинцевому отруєнні певні відділи мозку скорочуються, можна це навіть на томографічних картинках бачити, інтелект падає, IQ падає, людина стає дуже агресивною . Свинцеве отруєння - і досі велике лихо багатьох міст і країн. Щоб позбавитися такого роду небажаних наслідків, нам потрібно розробляти нові матеріали для очищення навколишнього середовища.

Цікаві матеріали, не до кінця пояснені, – це надпровідники. Надпровідність також було відкрито 100 років тому. Це багато в чому екзотичне, відкрито воно було випадковим способом. Просто охолодили ртуть у рідкому гелії, виміряли електроопір, виявилося, що воно падає рівно до нуля, а потім виявилося, що надпровідники повністю виштовхують магнітне поле і здатні левітувати в магнітному полі. Ці дві характеристики надпровідників використовуються досить широко у високотехнологічних додатках. Той тип надпровідності, який було відкрито 100 років тому, було пояснено, на пояснення знадобилося півстоліття, це пояснення принесло Нобелівську премію Джону Бардіну та його колегам. Але потім у 80-х роках, вже на нашому віці, було відкрито новий тип надпровідності, і найкращі надпровідники належать саме до цього класу – високотемпературні надпровідники на основі міді. Цікава особливість полягає в тому, що така надпровідність досі не має пояснень. Застосувань у надпровідників дуже багато. Наприклад, за допомогою надпровідників створюють найпотужніші магнітні поля і це використовується в магнітно-резонансній томографії. Левітуючі поїзди на магнітному підвисанні - інше застосування, і ось фотографія, яку я особисто зробив у Шанхаї на такому поїзді - видно покажчик швидкості 431 кілометр на годину. Надпровідники бувають іноді дуже екзотичними: вже 30 років відомі органічні надпровідники, тобто надпровідники на основі вуглецю, виявляється, надпровідником можна зробити навіть алмаз, ввівши в нього невелику кількість атомів бору. Графіт також можна зробити надпровідником.

Ось цікава також історична паралель про те, як властивості матеріалів або їх незнання може мати фатальні наслідки. Дві історії, які дуже красиві, але, зважаючи на все, історично неправильні, але я все ж таки їх розповім, тому що красива історія іноді краща, ніж правдива історія. У науково-популярній літературі дуже часто насправді можна зустрічати згадки про те, як ефект олов'яної чуми - а ось і її зразок - занапастив експедиції Наполеона в Росії та капітана Скотта до Південного полюса. Справа в тому, що олово при температурі 13 градусів Цельсія зазнає перехід з металу (це біле олово) в сіре олово, напівпровідник, при цьому різко падає щільність – і олово розвалюється. Це називається "олов'яна чума" - олово просто в потерть розсипається. А ось і історія, якої я не зустрічав повноцінних пояснень. Наполеон приходить до Росії з 620 тисячною армією, дає лише кілька відносно невеликих битв - і доходить до Бородіна вже всього 150 тисяч чоловік. Приходить 620, до Бородіна майже без бою сягає 150 тисяч. За Бородіна ще близько 40 тисяч жертв, потім відступ із Москви - і до Парижа живими доходять 5 тисяч. До речі, і відступ також був майже без бою. Що взагалі відбувається? Як із 620 тисяч без бою скотитися до 5 тисяч? Є історики, які стверджують, що винна у всьому олов'яна чума: гудзики на мундирах солдатів були зроблені з олова, олово розсипалося, як тільки настали холоди, - і солдати виявилися фактично голими на російському морозі. Проблема в тому, що ґудзики робили із брудного олова, яке стійке до олов'яної чуми.

Дуже часто можна бачити в науково-популярній пресі згадку про те, що капітан Скотт за різними версіями або віз із собою аероплани, в яких паливні баки мали олов'яні припої, або консерви в олов'яних банках - олово знову розсипалося, і експедиція загинула від голоду та холоду. Я взагалі читав щоденники капітана Скотта - ні про які аероплани він не згадав, у нього були якісь аеросані, але знову-таки про паливний бак він не пише, і про консерви він теж не пише. Тож ці гіпотези, зважаючи на все, невірні, але дуже цікаві й повчальні. І пам'ятати про ефект олов'яної чуми принаймні корисно, якщо ви збираєтесь у холодний клімат.

Ось інший досвід, і тут мені знадобиться окріп. Інший ефект, пов'язаний з матеріалами та їх структурою, який не спадає на думку жодній людині, - ефект пам'яті форм, також відкритий зовсім випадково. На цій ілюстрації ви бачите, що мої колеги зробили з цього дроту дві літери: Т У, Технічний Університет, вони загартували цю форму за високих температур. Якщо загартувати якусь форму за високої температури, матеріал пам'ятатиме цю форму. Можна зробити серце, наприклад, подарувати коханій і сказати: це серце пам'ятатиме мої почуття вічно ... потім цю форму можна зруйнувати, але як тільки ви опускаєте його в гарячу воду, форма відновлюється, це виглядає як чари. Ви щойно зламали цю форму, але кладете в гарячу воду - форма відновлюється. І все це відбувається завдяки дуже цікавому і досить тонкому структурному перетворенню, яке відбувається в цьому матеріалі при температурі 60 градусів Цельсія, тому потрібна в нашому досвіді гаряча вода. І таке ж перетворення відбувається і в сталі, але в сталі він відбувається надто повільно – і пам'яті ефекту форми не виникає. Уявляєте, якби сталь теж такий ефект показувала, ми жили б у зовсім іншому світі. Ефект пам'яті форми знаходить дуже багато застосувань: зубні дужки, серцеві шунти, частини двигуна в літаках зниження шуму, спайки в газопроводах і нафтопроводах. А зараз мені знадобиться ще один доброволець... будь ласка, як тебе звуть? Віка? Нам знадобиться допомога Вікі з цим дротом, це провід із пам'яттю форми. Той самий метал нитінол, метал нікелю і титану. Цей провід був загартований у формі прямого дроту, і він цю форму пам'ятатиме вічно. Віка, візьми шматочок цього дроту і його всіляко викрий, зроби так, щоб він був якомога непрямішим, тільки вузли не зав'язуй: вузол не розплутається. І тепер занурюй його в окріп, і провід згадає цю форму... ну як, розпрямився? Цей ефект можна спостерігати вічно, я, напевно, тисячу разів бачив його, але щоразу, як дитина, дивлюся і захоплююсь, який гарний ефект. Давайте поаплодуємо Віці. Було б чудово, якби ми навчилися такі матеріали пророкувати і на комп'ютері.

А ось і оптичні властивості матеріалів, які теж зовсім бувають нетривіальними. Виявляється, багато матеріалів, майже всі кристали, розщеплюють промінь світла на два промені, які подорожують у різних напрямках і з різною швидкістю. В результаті, якщо ви дивитеся через кристал на якийсь напис, то напис завжди буде трохи двоїтися. Але, як правило, невиразно для нашого ока. У деяких кристалах цей ефект настільки сильний, що ви дійсно можете бачити два написи.

Питання із зали:Ви сказали – з різною швидкістю?

Артем Оганов:Так, швидкість світла постійна лише у вакуумі. У середовищах, що конденсуються, вона нижче. Далі, ми звикли думати, що кожен матеріал має певний колір. Рубін – червоний, сапфір – синій, але, виявляється, колір також може залежати від напрямку. Взагалі одна з головних характеристик кристала – це анізотропія – залежність властивостей від напрямку. Властивості у цьому напрямі та у цьому напрямі різняться. Ось мінерал кордієрит, у якого в різних напрямках колір змінюється від коричнево-жовтого до синього, це той самий кристал. Мені хтось не вірить? Я приніс спеціально кристал кордієриту, щоб, будь ласка… ось дивись, який колір?

Питання із зали:Здається, білий, а от отак.

Артем Оганов:Від якогось світлого типу білого до фіолетового ви просто обертаєте кристал. Насправді, є ісландська легенда про те, як вікінги відкрили Америку. І багато істориків бачать у цій легенді вказівку використання цього ефекту. Коли вікінги загубилися посеред Атлантичного океану, їхній конунг вийняв якийсь сонячний камінь, і в сутінковому світлі зумів визначити напрямок на Захід, і так вони допливли до Америки. Що таке сонячний камінь, ніхто не знає, але багато істориків вважають, що сонячний камінь - це те, що Віка тримає в руках, кордієрит, до речі, кордієрит зустрічається біля берегів Норвегії, і за допомогою цього кристала дійсно можна орієнтуватися в сутінковому світлі, вечірньому світлі, а також у полярних широтах. І цей ефект використовувався ВПС США аж до 50-х років, коли на зміну йому прийшли досконаліші способи. А ось ще один цікавий ефект – олександритовий, якщо у кого є бажання, я приніс кристал синтетичного олександриту, і його колір змінюється залежно від джерела світла: за денного та електричного. І, нарешті, ще один цікавий ефект, який багато століть не могли зрозуміти вчені та мистецтвознавці. Чаша Лікурга - це об'єкт, який було зроблено римськими ремісниками понад 2 тисячі років тому. У розсіяному світлі ця чаша має зелений колір, а в проходить червоний. І вдалося це зрозуміти буквально кілька років тому. Виявилося, що чаша зроблена не з чистого скла, а містить наночастинки золота, які створюють цей ефект. Зараз ми розуміємо природу кольору - колір пов'язані з певними діапазонами поглинання, з електронною структурою речовини, і це, своєю чергою, пов'язані й з атомної структурою речовини.

Питання із зали:Поняття «відбитий» і «прохідний» можна пояснити?

Артем Оганов:Можна, можливо! До речі, зазначу, що ці спектри поглинання і визначають, чому у кордієриту різний колір у різних напрямках. Справа в тому, що сама структура кристала - зокрема кордієриту - виглядає по-різному в різних напрямках, і світло в цих напрямках поглинається по-різному.

Що таке біле світло? Це весь спектр від червоного до фіолетового, і коли світло проходить крізь кристал частину цього діапазону поглинається. Наприклад, кристал може поглинути синій колір, і, що буде в результаті, можете бачити з цієї таблиці. Якщо ви поглинаєте сині промені, то на виході у вас буде помаранчевий колір, тобто, коли ви бачите щось помаранчеве, ви знаєте, що ця речовина поглинає в синьому діапазоні. Розсіяне світло - це коли у вас лежить та сама чаша Лікурга на столі, падає світло, і частина цього світла розсіюється і потрапляє вам в очі. Розсіювання світла підпорядковується зовсім іншим законам і, зокрема, залежить від зернистості об'єкта. Завдяки розсіюванню світла небо синє. Є закон Рєлєєвського розсіювання, за допомогою якого можна пояснити ці кольори.

Я продемонстрував вам, як властивості пов'язані зі структурою. А як можна пророкувати кристалічну структуру, ми розглянемо коротко зараз. Значить, завдання передбачення кристалічних структур до недавнього часу вважалася нерозв'язною. Саме це завдання формулюється так: як знайти розташування атомів, яке дає максимальну стійкість - тобто найменшу енергію? Як це зробити? Можна, звичайно, перебрати всі варіанти розташування атомів у просторі, але виявляється, що таких варіантів настільки багато, що перебрати їх вам не вистачить життя, насправді навіть для досить простих систем, скажімо, з 20 атомами вам знадобиться більше, ніж час життя Всесвіту, щоб перебрати всі ці можливі комбінації на комп'ютері. Тому вважалося, що це завдання не вирішуване. Проте це завдання вирішити вдалося, причому кількома методами, і найефективніший метод, хоч, може, це нескромно звучить, був розроблений моєю групою. Метод називається "Успіх", "USPEX", еволюційний метод, еволюційний алгоритм, суть якого я постараюся вам зараз пояснити. Завдання еквівалентне знаходження глобального максимуму на якійсь багатовимірній поверхні – для простоти розглянемо двовимірну поверхню, поверхню Землі, де потрібно знайти найвищу гору, не маючи карток. Давайте сформулюємо це так, як сформулював це мій австралійський колега Річард Клег - він австралієць, він любить кенгуру, і в його формулюванні за допомогою кенгуру, досить неінтелектуальних тварин, потрібно визначити найвищу точку на поверхні Землі. Кенгуру розуміє лише прості інструкції - йди вгору, йди вниз. В еволюційному алгоритмі ми скидаємо десант кенгуру випадково в різні точки планети і даємо кожному з них інструкцію: йди вгору, до вершини найближчого пагорба. І вони йдуть. Коли ці кенгуру доходять до Воробйових гір, наприклад, а коли доходять можливо до Ельбруса, і ті з них, хто не дістався високо, відсіваються, відстрілюються. Приходить мисливець, мало не сказав, художник, приходить мисливець і відстрілює, а ті, що вижили, отримують право розмножуватися. І завдяки цьому вдається зі всього простору пошуку виділити найперспективніші області. І крок за кроком, відстрілюючи все більш і більш високих кенгуру, ви посунете популяцію кенгуру до глобального максимуму. Кенгуру будуть виробляти все більш успішне потомство, мисливці відстрілюватимуть кенгуру, що все більш забираються, і таким чином можна цю популяцію просто загнати на Еверест.

І ось у цьому полягає суть еволюційних методів. Для простоти я опускаю технічні деталі, як це було реалізовано. А ось і ще одна двовимірна реалізація цього методу, тут поверхня енергій, нам потрібно знайти саму синю крапку, ось наші початкові, випадкові структури - ось ці жирні точки. Розрахунок відразу ж розуміє, які з них погані, ось - у червоних і жовтих областях, які з них найперспективніші: у синіх, зелених областях. І крок за кроком щільність випробування найперспективніших областей зростає доти, доки ми знаходимо найбільш пристосовану, найбільш стійку структуру. Є різні методи для передбачення структур – методи випадкового пошуку, штучного відпалу тощо, але найпотужніший метод виявився цей, еволюційний.

Найскладніше - це як виготовляти з батьків нащадків на комп'ютері. Як взяти дві батьківські структури та з них зробити дитину? Насправді, на комп'ютері можна робити дітей не лише з двох батьків, ми експериментували, ми з трьох, і з чотирьох намагалися робити. Але, як з'ясовується, це ні до чого доброго не приводить, як і в житті. У дитини краще, якщо двоє батьків. Один батько теж, до речі, працює, два батьки – оптимально, а три чи чотири – це вже не працює. Еволюційний метод має кілька цікавих особливостей, які, до речі, ріднять це з біологічною еволюцією. Ми, як із непристосованих, випадкових структур, з яких починаємо розрахунок, у ході розрахунку з'являються високоорганізовані, високоупорядковані рішення. Ми, що розрахунки найефективніші тоді, коли населення структур найрізноманітніша. Найстабільніші і найбільш виживають популяції - це популяції різноманітності. Ось, наприклад, чим мені подобається Росія, то це тим, що в Росії - 150 з лишком народів. Є світловолосі, є темноволосі, є всілякі особи кавказької національності на зразок мене, і все це надає російській популяції стабільність і майбутнє. Одноманітні популяції майбутнього немає. Це з ефолюційних розрахунків гранично ясно.

Чи можемо передбачити, що стійкою формою вуглецю при атмосферних тисках є графіт? Так. Цей розрахунок дуже швидкий. Але, крім графіту, ми виробляємо кілька цікавих трохи менш стійких рішень у тому ж розрахунку. І ці рішення також можуть бути цікавими. Якщо ми підвищуємо тиск – графіт вже нестійкий. А стійкий алмаз, і ми це також дуже легко знаходимо. Дивіться, як із невпорядкованих початкових структур розрахунок швидко виробляє алмаз. Але перед тим, як алмаз знайдено, виробляється ціла низка найцікавіших структур. Наприклад, ось ця структура. У той час, як у алмазу присутні шестикутні кільця, тут видно 5 і 7-кутні кільця. Ця структура лише ненабагато поступається за стабільністю алмазу, і ми спочатку думали, що це курйоз, а потім виявилося, що це нова, реально існуюча форма вуглецю, яка була встановлена ​​зовсім недавно нами та нашими колегами. Цей розрахунок було зроблено за 1 мільйона атмосфер. Якщо ми тиск підвищимо до 20 мільйонів атмосфер, алмаз перестане бути стійким. І замість алмазу буде стійка дуже дивна структура, про стабільність якої для вуглецю за таких тисків здогадувалися вже багато десятиліть, і наш розрахунок це підтверджує.

Багато чого було зроблено і нами, і нашими колегами за допомогою цього методу, перед вами невелика добірка різних відкриттів. Дозвольте мені лише про деякі з них розповісти.

За допомогою цього можна замінити лабораторне відкриття матеріалів на комп'ютерне. У лабораторному відкритті матеріалів неперевершеним чемпіоном був Едісон, який говорив: "я не зазнав 10 тисяч невдач, я лише знайшов 10 тисяч способів, які не працюють". Це вам говорить про те, скільки треба спроб, невдалих спроб зробити перш, ніж зробити реальне відкриття цим методом, а за допомогою комп'ютерного дизайну можна досягати успіху в 1 спробі з 1, в 100 зі 100, в 10 тисячах з 10 тисяч, це наша мета - замінити Едісонівський метод на щось набагато продуктивніше.

Ми можемо тепер оптимізувати не лише енергію, а й будь-яку властивість. Найпростіша властивість – щільність, і найщільнішим матеріалом із відомих досі є алмаз. Алмаз взагалі рекордсмен у багатьох відношеннях. У кубічному сантиметрі алмазу міститься більше атомів, ніж у кубічному сантиметрі будь-якої іншої речовини. Алмаз - рекордсмен за твердістю, і це також найменш стислива речовина з відомих. Чи можна ці рекорди побити? Тепер ми можемо поставити це питання комп'ютеру, і комп'ютер дасть відповідь. І відповідь – так, якісь із цих рекордів побити можна. Виявилося, що за щільністю алмаз побити досить легко, є більш щільні форми вуглецю, які мають право на існування, але поки що не синтезуються. Ці форми вуглецю б'ють алмаз не тільки за щільністю, а й за оптичними властивостями. Вони матимуть більш високі показники заломлення та дисперсії світла – що це означає? Показник заломлення алмазу забезпечує алмазу його неперевершений блиск і внутрішнє відображення світла - а дисперсія світла означає, що біле світло розщеплюватиметься на спектр від червоного до фіолетового ще більшою мірою, ніж це робить алмаз. Ось, до речі, матеріал, який часто замінює алмаз у ювелірній промисловості, – кубічний діоксид цирконію, фіаніт. Він перевершує алмаз за дисперсією світла, але, на жаль, поступається алмазу по блиску. А нові форми вуглецю переможуть алмаз за обома показниками. А що щодо твердості? До 2003 року вважалося, що твердість - це властивість, яку люди ніколи не навчаться передбачати і розраховувати, у 2003 році все змінилося з роботою китайських вчених, і цього літа я відвідав Яншанський університет у Китаї, де отримав черговий ступінь почесного професора, і там я побував у гостях у засновника всієї цієї теорії. Цю теорію нам вдалося розвинути.

Ось таблиця, яка показує, як розрахункові визначення твердості узгоджуються з експериментом. Для більшості нормальних речовин згода прекрасна, але для графіту моделі передбачали, що він має бути надтвердим, що явно неправильно. Нам вдалося зрозуміти та усунути цю помилку. І тепер за допомогою цієї моделі ми надійно передбачаємо твердість для будь-яких речовин, і ми можемо поставити комп'ютер наступне питання: яка речовина найтвердіша? Чи можна перевершити діамант за твердістю? Люди взагалі думали над цим багато десятиліть. Отже, яка найтвердіша структура у вуглецю? Відповідь була бентежна: алмаз, і нічого твердішого у вуглеці бути не може. Але можна знайти структури вуглецю, які за твердістю близькі до алмазу. Структури вуглецю, близькі до алмазу за твердістю, справді мають право існування. І одна з них - та, яку я показав вам раніше, з 5- та 7-членними каналами. Дубровінським у 2001 році було запропоновано в літературі ультратверду речовину - діоксид титану, вважалося, що за твердістю він ненабагато поступається алмазу, але були сумніви. Експеримент був досить спірним. Практично всі експериментальні виміри з роботи були рано чи пізно спростовані: твердість поміряти було дуже складно, зважаючи на малий розмір зразків. Але розрахунок показав, що твердість також була помилково виміряна в тому експерименті, і реальна твердість діоксиду титану приблизно в 3 рази менше за те, що стверджували експериментатори. Так що за допомогою таких розрахунків можна навіть судити, який експеримент надійний, який - ні, настільки ці розрахунки зараз досягли високої точності.

З вуглецем пов'язана ще одна історія, яку я хотів би вам розповісти – особливо бурхливо вона розгорталася останні 6 років. Але почалася вона 50 років тому, коли американські дослідники провели такий експеримент: взяли графіт і стиснули його до тиску близько 150-200 тисяч атмосфер. Якщо графіт стискати при високих температурах, він повинен перейти в алмаз, найбільш стійку форму вуглецю при високому тиску - саме так алмаз і синтезують. Якщо ж робити цей експеримент за кімнатної температури, то алмаз утворитися не може. Чому? Тому що перебудова структури, яка потрібна для перетворення графіту на алмаз, надто велика, надто несхожі ці структури, і надто великий енергетичний бар'єр, який треба подолати. І замість утворення алмазу ми спостерігатимемо утворення якоїсь іншої структури, не найстійкішої, але тієї, яка має найменш високий бар'єр освіти. Ми запропонували таку структуру - і назвали її M-вуглець, це та сама структура з 5- та 7-членними кільцями; мої вірменські друзі жартома називають його «муглерод-шмуглерод». Виявилося, що ця структура повністю описує результати досвіду 50-річної давності, а досвід був повторений багато разів. Досвід, до речі, дуже гарний – стискаючи при кімнатній температурі графіт (чорний, м'який непрозорий напівметал), під тиском дослідники отримували прозорий надтвердий неметал: фантастичне перетворення! Але це алмаз, його властивості не узгоджуються з алмазом, а наша гіпотетична тоді структура повністю описувала властивості цієї речовини. Ми страшенно зраділи, написали статтю та опублікували її в престижному журналі Physical Review Letters, і спочивали на лаврах рівно рік. Через рік американські та японські вчені знайшли нову структуру, що зовсім від неї відрізнялася, ось цю, з 4- і 8-членними кільцями. Ця структура повністю відрізняється від нашої, але так само добре описує експериментальні дані. Проблема в тому, що експериментальні дані були низького дозволу і під них підходило багато інших структур. Минуло ще півроку, китаєць на прізвище Ванг запропонував W-вуглець, і W-вуглець теж пояснював експериментальні дані. Незабаром історія стала гротескною - в неї влилися нові китайські групи, а китайці люблять виробляти, і вони наштампували близько 40 структур, і всі вони підходять під експериментальні дані: P-, Q-, R-, S-вуглець, Q-вуглець, Х -, Y-, Z-вуглець, М10-вуглець відомий, Х'-вуглець, і так далі - вже і алфавіту не вистачає. Отже, хто має рацію? Взагалі-то кажучи, прав претензій на правоту у нашого М-вуглецю спочатку було рівно стільки ж, скільки й у всіх інших.

Репліка із залу:Усі мають рацію.

Артем Оганов:Такого також не буває! Справа в тому, що природа завжди обирає екстремальні рішення. Не лише люди екстремісти, а й природа теж екстремістка. При високих температурах природа вибирає найбільш стійкий стан, тому що при високих температурах можна перейти через будь-який енергетичний бар'єр, а за низьких температур природа вибирає найменший бар'єр, і переможець може бути лише один. Чемпіон може бути лише один – але хто саме? Можна провести експеримент високого дозволу, але люди намагалися 50 років, і ні в кого нічого не вийшло, всі результати мали низьку якість. Можна здійснити розрахунок. І з розрахунку можна було б вважати активаційні бар'єри освіти всіх цих 40 структур. Але, по-перше, китайці досі штампують нові та нові структури, і скільки б ви не намагалися, все одно знайдеться якийсь китаєць, який скаже: а в мене є ще одна структура, і ви до кінця життя вважатимете ці активаційні бар'єри, доки вас не відправлять на заслужений відпочинок. Це перша складність. Друга складність - вважати активаційні бар'єри дуже і дуже важко в твердотілих перетвореннях, це завдання, яке вкрай нетривіальне, потрібні особливі методи та найпотужніші комп'ютери. Справа в тому, що ці перетворення відбуваються не у всьому кристалі, а спочатку в маленькому фрагменті - зародку, і потім поширюється на зародок і далі. І моделювати цей зародок – вкрай складне завдання. Але ми такий метод знайшли, метод, який був розроблений раніше австрійськими та американськими вченими, та пристосували його під наше завдання. Нам вдалося цей метод так модифікувати, що одним ударом ми змогли вирішити це завдання раз і назавжди. Ми поставили завдання наступним чином: якщо ви починаєте з графіту, жорстко заданий початковий стан, а кінцевий стан заданий розпливчасто - будь-яка тетраедрична, sp3-гібридизована форма вуглецю (а саме такі стани ми й очікуємо під тиском), то який бар'єр буде мінімальним? Цей метод вміє вважати бар'єри і знаходить мінімальний бар'єр, але якщо ми ставимо кінцевий стан як ансамбль різних структур, то ми можемо вирішити завдання повністю. Ми почали розрахунок зі шляху перетворення графіт - алмаз як «затравка», ми знаємо, що це таке перетворення не спостерігається в експерименті, але нам було цікаво - що зробить розрахунок із цим перетворенням. Ми почекали трошки (насправді цей розрахунок зайняв півроку на суперкомп'ютері) - і розрахунок замість алмазу нам видав М-вуглець.

Взагалі, треба сказати, я вкрай щаслива людина, шансів на перемогу в мене було 1/40, бо було близько 40 структур, які мали рівноправні шанси перемогти, але лотерейний квиток знову я витяг. Наш М-вуглець переміг, ми опублікували наші результати у престижному новому журналі Scientific Reports - це новий журнал гурту Nature, і через місяць після того, як ми опублікували наші теоретичні результати, в тому ж журналі вийшли результати експерименту високого дозволу, вперше за 50 років отримані. Дослідники з Єльського університету зробили експеримент високого дозволу і перевірили всі ці структури, і виявилося, що тільки М-вуглець задовольняє всі експериментальні дані. І тепер у списку форм вуглецю є ще один експериментально та теоретично встановлений алотроп вуглецю, М-вуглець.

Згадаю про ще одне алхімічне перетворення. Під тиском очікується, що всі речовини перетворюватимуться на метал, рано чи пізно будь-яка речовина стане металом. А що відбуватиметься із речовиною, яка спочатку вже метал? Наприклад, натрій. Натрій взагалі не просто метал, а дивовижний метал, що описується моделлю вільних електронів, тобто граничний випадок хорошого металу. Що буде, якщо стиснути натрій? Виявляється, що натрій перестане бути добрим металом - спочатку натрій перетвориться на одновимірний метал, тобто електрику проводитиме лише в одному напрямку. При вищому тиску ми передбачили, що натрій взагалі втратить металевість і перетвориться на червоний прозорий діелектрик, а якщо підвищити тиск ще більше, то він стане безбарвним, як скло. Отже - ви берете сріблястий метал, стискаєте його - спочатку він перетворюється на поганий метал, чорний, як вугілля, стискаєте далі - він перетворюється на червонуватий прозорий кристал, зовні нагадує рубін, а потім стає білим, як скельце. Ми це передбачили і журнал Nature, куди ми це відправили, відмовився це публікувати. Редактор кілька днів повернув текст і сказав: ми не віримо, надто екзотично. Ми знайшли експериментатора, Михайла Єремця, який готовий був це прогноз перевірити, - і ось перед вами результат. При тиску 110 Гігапаскаль, це 1,1 мільйона атмосфер, це ще сріблястий метал, при 1,5 мільйона атмосфер - це чорний як вугілля поганий метал. При 2 мільйонах атмосфер - це прозорий червоний неметал. І вже із цим експериментом ми дуже легко опублікували наші результати. Це, до речі, досить екзотичний стан речовини, тому що електрони вже не розмазані в просторі (як у металах) і не локалізовані на атомах або на зв'язках (як у іонних та ковалентних речовинах) – валентні електрони, які натрію забезпечували металічність, затиснуті у порожнинах простору там, де немає атомів, і локалізовані вони дуже сильно. Така речовина може бути електридом, тобто. сіллю, де роль негативно заряджених іонів, аніонів, виконують не атоми (скажімо, фтору, хлору, кисню), а згустки електронної щільності, і наша форма натрію є найпростішим і найяскравішим прикладом електриду з відомих.

Можна використовувати такі розрахунки й у розуміння речовини земних і планетних надр. Ми дізнаємося про стан земних надр головним чином за непрямими даними, за сейсмологічними даними. Ми знаємо, що є металеве, головним чином що складається із заліза, ядро ​​Землі, і неметалічна, що складається з силікатів магнію, оболонка, що називається мантією, а біля самої поверхні - тоненька земна кора, на якій ми живемо, і яка нам відома якраз дуже добре. А нутрощі Землі нам невідомі майже зовсім. Прямим випробуванням ми можемо вивчити тільки саму поверхню Землі. Найглибша свердловина – це Кольська надглибока, її глибина 12,3 кілометра, пробурена в СРСР, далі ніхто не міг добуритися. Американці намагалися буритись, розорилися на цьому проекті та припинили його. У СРСР вклали величезні суми, добурили до 12 кілометрів, потім сталася перебудова і проект заморозили. Але радіус Землі в 500 разів більший, і навіть Кольська надглибока свердловина пробурила лише поверхню планети. Адже речовина глибин Землі визначає образ Землі: землетруси, вулканізм, дрейф континентів. Магнітне поле формується в ядрі Землі, до якого нам ніколи не дістатися. Конвекція розплавленого зовнішнього ядра Землі та відповідальна за утворення магнітного поляЗемлі. До речі, внутрішнє ядро ​​Землі - тверде, а зовнішнє - розплавлене, це як шоколадна цукерка з розплавленим шоколадом, а всередині горішок - так можна собі уявити ядро ​​Землі. Конвекція твердої мантії Землі дуже повільна, її швидкість близько 1 сантиметра на рік; більш гарячі потоки йдуть вгору, холодніші - вниз, і це конвективний рух мантії Землі та відповідальний за дрейф континентів, вулканізм, землетруси.

Важливе питання – яка температура у центрі Землі? Ми знаємо тиск із сейсмологічних моделей, а температуру ці моделі не дають. Температуру визначають наступним чином: ми знаємо, що внутрішнє ядро ​​тверде, зовнішнє рідке ядро, і що ядро ​​складається з заліза. Таким чином, якщо ви знаєте температуру плавлення заліза на цій глибині, ви знаєте температуру ядра на цій глибині. Були зроблені експерименти, але вони дали невизначеність 2 тисячі градусів, і були зроблені розрахунки, і розрахунки поставили крапку на цьому питанні. Температура плавлення заліза на межі внутрішнього та зовнішнього ядра виявилася близько 6,4 тисячі градусів Кельвіна. Але коли геофізики дізналися про цей результат, то виявилося, що ця температура є надто великою для того, щоб правильно відтворювати характеристики магнітного поля Землі - ця температура занадто висока. І тут фізики згадали, що взагалі ядро ​​- це не чисте залізо, а містить різні домішки. Які ми досі точно не знаємо, але серед кандидатів - кисень, кремній, сірка, вуглець, водень. Варіюючи різні домішки, порівнюючи їх ефекти, вдалося зрозуміти, що температура плавлення має бути знижена приблизно на 800 градусів. 5600 градусів Кельвіна - така температура на межі внутрішнього та зовнішнього ядер Землі, і ця оцінка є на даний момент загальноприйнятою. Цей ефект зниження температури домішками, евтектичне зниження температури плавлення добре відомий, завдяки цьому ефекту наше взуття страждає взимку - сіллю посипаються дороги для того, щоб знизити температуру плавлення снігу, і завдяки цьому твердий сніг лід переходить в рідкий стан, і наше взуття страждає від цієї солоної води.

А ось, мабуть, найбільш сильний приклад цього ж явища - це сплав Вуда - сплав, який складається з чотирьох металів, там є вісмут, свинець, олово та кадмій, кожен із цих металів має відносно високу температуру плавлення, але ефект взаємного зниження температури плавлення працює настільки, що сплав Вуда плавиться у киплячій воді. Хто хоче цей досвід зробити? Між іншим, цей зразок сплаву Вуда я купив у Єревані на чорному ринку, що, мабуть, додасть цьому досвіду додатковий колорит.

Лійте окріп, а я триматиму сплав Вуда, і ви побачите, як краплі сплаву Вуда будуть падати в склянку.

Падають краплі – все, достатньо. Він плавиться за температури гарячої води.

І це ефект відбувається у ядрі Землі, рахунок цього температура плавлення залізистого металу знижується. Але тепер наступне питання: а все-таки з чого складається ядро? Ми знаємо, що там багато заліза і є якісь легкі домішки, у нас 5 кандидатів. Ми почали з найменш можливих кандидатів - такими вважалися вуглець та водень. Треба сказати, що донедавна мало хто приділяв увагу цим кандидатам, обидва вважалися малоймовірними. Ми вирішили це перевірити. Зі співробітницею МДУ Зульфією Бажановою ми вирішили взятися за цю справу, передбачити стабільні структури та стабільні склади карбідів та гідридів заліза в умовах ядра Землі. Ми також це зробили і для кремнію, де ніяких особливих сюрпризів не виявили, а для вуглецю виявилося, що ті сполуки, які вважалися стійкими протягом багатьох десятиліть, насправді при тисках ядра Земля виявляються нестійкими. І виявляється, що вуглець - дуже хороший кандидат, насправді одним лише вуглецем можна пояснити багато властивостей внутрішнього ядра Землі ідеально, всупереч колишнім роботам. Водень же виявився досить поганим кандидатом, одним воднем не можна пояснити жодної властивості ядра Землі. Водень може бути у невеликих кількостях, але головним елементом-домішкою в ядрі Землі він не може. Для гідридів водню під тиском ми виявили і сюрприз - виявилося, що існує стійка сполука з формулою, що суперечить шкільній хімії. Нормальний хімік формули гідридів водню напише як FeH 2 і FeH 3 взагалі, під тиском виникає ще FeH, і з цим змирилися - але те, що під тиском може виникати FeH 4 стало справжнім сюрпризом. Якщо наші діти в школі напишуть формулу FeH 4 , я гарантую, що вони отримають двійку хімії, швидше за все, навіть у чверті. Але виявляється, що під тиском правила хімії порушуються – і такі екзотичні сполуки виникають. Але, як я вже сказав, гідриди заліза навряд чи мають значення для нутрощів Землі, навряд чи водень там присутній у значних кількостях, а ось вуглець, швидше за все, є.

І, нарешті, остання ілюстрація про мантію Землі, вірніше, про межу ядра і мантії, так званий шар D”, що має дуже дивні властивості. Однією з властивостей була анізотропія поширення сейсмічних хвиль, звукових хвиль: у вертикальному напрямі та у горизонтальному напрямі швидкості значно різняться. Чому це так? Довгий час не вдавалося зрозуміти. Виявляється, що у шарі межі ядра і мантії Землі утворюється нова структура силікату магнію. Це нам удалося зрозуміти 8 років тому. Одночасно ми і наші японські колеги опублікували 2 роботи в Science та Nature, які довели існування цієї нової структури. Видно відразу, що ця структура зовсім по-різному виглядає в різних напрямках, і її властивості повинні відрізнятися в різних напрямках - у тому числі і пружні властивості, які відповідають за поширення звукових хвиль. За допомогою цієї структури вдалося пояснити всі ті фізичні аномалії, які були виявлені і завдавали неприємностей протягом багатьох років. Вдалося навіть зробити кілька передбачень.

Зокрема, на менших планетах, таких як Меркурій та Марс, не буде шару, подібного до шару D”. Там не вистачить тиску для стабілізації цієї структури. Також вдалося зробити передбачення, що в міру охолодження Землі цей шар повинен зростати, тому що стійкість пост-перовскіту зростає зі зниженням температури. Можливо, що коли Земля утворилася, цього шару і зовсім не було, а народжений він був у ранній фазі розвитку нашої планети. І ось все це вдається зрозуміти завдяки прогнозам нових структур кристалічних речовин.

Репліка із залу:Завдяки генетичному алгоритму.

Артем Оганов:Так, хоча ось ця остання історія про пост-перовскіт передувала винаходу ось цього еволюційного способу. До речі, вона наштовхнула мене на винахід цього методу.

Репліка із залу:Так 100 років цього генетичного алгоритму, там що вже не робили.

Артем Оганов:Цей алгоритм був створений мною та моїм аспірантом у 2006 році. До речі, називати його «генетичним» невірно, правильнішу назву — «евлюційний». Еволюційні алгоритми з'явилися в 70-х роках, і вони знайшли застосування в багатьох областях техніки і науки. Наприклад, автомобілі, кораблі та літаки – їх оптимізують за допомогою еволюційних алгоритмів. Але для кожного нового завдання еволюційний алгоритм - зовсім інший. Еволюційні алгоритми - це один метод, а величезна група методів, ціла величезна область прикладної математики, й у кожного нового типу завдань необхідно винайти новий підхід.

Репліка із залу:Яка математика? Генетика це.

Артем Оганов:Це не генетика – це саме математика. І для кожного нового завдання потрібно з нуля винайти новий алгоритм. І люди насправді до нас намагалися винайти еволюційні алгоритми та адаптувати їх для передбачення кристалічних структур. Але вони взяли надто буквально алгоритми з інших областей – і це не спрацювало, тому нам довелося з нуля створити новий метод, і він виявився дуже потужним. Хоча область еволюційних алгоритмів існує приблизно стільки ж, скільки я - щонайменше з 1975 року, для передбачення кристалічних структур знадобилися чималі зусилля, щоб створити працюючий метод.

Всі ці приклади, які я вам навів, показують, як розуміння структури речовини та здатність передбачати структуру речовини призводять до дизайну нових матеріалів, які можуть мати цікаві оптичні властивості, механічні властивості, електронні властивості. Матеріали, що становлять надра Землі та інших планет. В даному випадку можна вирішувати цілий спектр найцікавіших завдань на комп'ютері за допомогою цих методів. Величезний внесок у розвиток цього методу та його застосування зробили мої співробітники та понад 1000 користувачів нашого методу у різних частинах світу. Всім цим людям і організаторам цієї лекції, і вам - за увагу - дозвольте сердечно подякувати.

Обговорення лекції

Борис Долгін:Велике спасибі! Дякую велике, Артем, дякую велике організаторам, які дали нам майданчик для цієї версії публічних лекцій, дякую велику РВК, яка нас у цій ініціативі підтримала, я впевнений, що дослідження Артема продовжаться, отже, виникне і новий матеріалдля його лекції у нас, ось, тому що треба сказати, дещо з того, що звучало сьогодні, взагалі на момент попередніх лекцій по суті ще не існувало, тому це має сенс.

Питання із зали:Скажіть, будь ласка, як забезпечити кімнатну температуру при такому високому тиску? Будь-яка система пластичного деформування супроводжується тепловиділенням. Ви, на жаль, не сказали про це.

Артем Оганов:Справа в тому, що все залежить від того, як швидко ви стискаєте. Якщо стиск проводиться дуже швидко, наприклад, в ударних хвилях, воно обов'язково супроводжується нагріванням, різке стиск призводить обов'язково до зростання температур. Якщо ж стиснення ви проводите повільно, достатньо часу у зразка, щоб обмінятися теплом з його оточенням і прийти в теплову рівновагу з його середовищем.

Питання із зали:І ваша установка це дозволяла зробити?

Артем Оганов:Експеримент був проведений не мною, я робив лише розрахунки та теорію. Я себе до експерименту не підпускаю з внутрішньої цензури. А досвід проводився в камерах з алмазними ковадлами, де між двома маленькими алмазами стискається зразок. У таких експериментах у зразка настільки багато часу прийти в теплову рівновагу, що питання не виникає.

- Давайте розбиратися з комп'ютерним дизайном нових матеріалів. По-перше, що це? Область знання? Коли виникає ідея та цей підхід?

— Область це досить нова, їй лише кілька років. Сам собою комп'ютерний дизайн нових матеріалів був мрією дослідників, технологів, фундаментальних вчених протягом багатьох десятиліть. Тому що процес відкриття нового матеріалу з потрібними вам властивостями зазвичай займає багато років чи навіть десятиліть роботи цілих інститутів та лабораторій. Це дуже дорогий процес, наприкінці якого на вас може чекати розчарування. Тобто не завжди ви можете такий винахід. Але навіть коли ви досягаєте успіху, успіх може вимагати багато років роботи. Нас це зараз зовсім не влаштовує, ми хочемо винаходити нові матеріали, нові технології якнайшвидше.

— Можете навести приклад такого матеріалу, який не виходить чи не вийшло?

- Так звичайно. Наприклад, вже багато десятиліть люди намагаються придумати матеріал твердіше за алмаз. Було сотні публікацій на цю тему. У деяких з них люди стверджували, що знайдений матеріал твердіший за алмаз, але потім неминуче, через якийсь час (зазвичай не дуже велике), ці твердження спростовувалися, і виявлялося, що це була ілюзія. Досі такого матеріалу не знайдено, і зрозуміло чому. За допомогою наших методів нам удалося показати, що це принципово неможливо, тож нічого навіть втрачати часу.

— А якщо спробувати просто пояснити, то чому не можна?

— Така властивість як твердість має кінцеву межу для кожного заданого матеріалу. Якщо ми візьмемо всі матеріали, які тільки можна взяти, то виявиться, що існує якась глобальна верхня межа. Так вийшло, що ця верхня межа відповідає алмазу. Чому саме алмаз? Тому що в цій структурі одночасно виконано кілька умов: дуже сильні хімічні зв'язки, дуже висока густина цих хімічних зв'язків, і вони рівномірно розподілені у просторі. Немає жодного напрямку, яке було б набагато твердіше, ніж інше, це у всіх напрямках дуже тверда речовина. Той же графіт, наприклад, має сильніші зв'язки, ніж алмаз, але всі ці зв'язки розташовані в одній площині, а між площинами взаємодіють дуже слабкі зв'язки, і цей слабкий напрямок робить весь кристал м'яким.

— Як розвивався метод та як його намагалися вдосконалити вчені?

— Великий Едісон говорив, на мою думку, у зв'язку з його винаходом лампочки розжарювання: «Я не зазнав десяти тисяч разів невдачі, але лише знайшов десять тисяч способів, які не працюють». Це традиційний стиль пошуку нових матеріалів, який і називають едісонівським у науковій літературі. І від цього методу, звичайно, люди завжди хотіли відійти, тому що в ньому потрібна рідкісна едісонівська щасливість та едісонівське терпіння. І багато часу, а також грошей. Цей метод не дуже науковий, це, скоріше, науковий «тик». І завжди людям хотілося від цього відійти. Коли виникли комп'ютери і вони почали вирішувати більш менш складні завдання, відразу ж постало питання: «Чи можна всі ці комбінації різних умов, температури, тисків, хімічних потенціалів, хімічного складу перебирати на комп'ютері замість того, щоб це робити в лабораторії?» Спочатку надії були дуже високі. Люди дивилися на це трошки оптимістично та ейфорично, але незабаром усі ці мрії розбилися про повсякденність. Тими методами, якими люди намагалися вирішити завдання, нічого добитися не можна в принципі.

- Чому?

— Тому що варіантів різного розташування атомів у структурі кристала нескінченно багато, і кожен із них матиме зовсім різні властивості. Наприклад, алмаз і графіт - це одна і та ж речовина, а завдяки тому, що структура різна, властивості у них кардинально різні. Так ось різних варіантів, що відрізняються і від алмазу, і від графіту, може бути нескінченно багато. З чого ви розпочнете? Де ви зупинитесь? Скільки це буде тривати? А якщо ви ще вводите змінну хімічного складу, то різних хімічних складів теж можна придумати нескінченно багато, і завдання стає нестерпно важким. Дуже швидко люди зрозуміли, що традиційні, стандартні методи розв'язання цього завдання не наводять абсолютно нічого. Цей песимізм повністю поховав перші надії, які люди плекали, починаючи з 60-х років.

— Комп'ютерний дизайн таки мислиться або, принаймні, відчувається як візуальна річ. Я так розумію, що у 60-ті, 70-ті чи 80-ті роки це ще рішення не візуальне, а математичне, тобто це швидший обрахунок, підрахунок.

— Як ви розумієте, коли ви отримуєте числа на комп'ютері, ви завжди можете їх візуалізувати, але справа не тільки в цьому.

— Загалом це питання лише про готовність техніки це робити.

- Так. Чисельний рахунок первинний, тому що з чисел ви завжди можете зробити картинку, а з картинки числа, напевно, теж хоч і не дуже точні. Була ціла низка знаменитих публікацій починаючи з середини 80-х років і закінчуючи серединою 90-х, які остаточно вселили песимізм у нашій області. Наприклад, була чудова публікація, в якій йшлося про те, що навіть такі прості речовини, як графіт чи лід, передбачити абсолютно неможливо. Або була стаття, яка називалася «Чи передбачувані кристалічні структури», і перше слово цієї статті було «ні».

— Що означає «чи передбачувані»?

— Завдання передбачення кристалічної структури — ядро ​​усієї галузі дизайну нових матеріалів. Оскільки структура визначає властивості речовини, те щоб передбачити речовину з потрібними властивостями, потрібно передбачити склад і структуру. Завдання пророкування кристалічної структури можна сформулювати так: припустимо, що ми задали хімічний склад, припустимо, він фіксований, наприклад, вуглець. Якою буде найбільш стійка форма вуглецю за заданих умов? За нормальних умов ми знаємо відповідь – це буде графіт; при високих тисках ми знаємо відповідь — це алмаз. Але створити алгоритм, який міг це вам дати, виявляється дуже непростим завданням. Або можна сформулювати завдання іншим чином. Наприклад, для того ж вуглецю: яка буде найтвердіша структура, що відповідає цьому хімічному складу? Виходить алмаз. А тепер поставимо інше запитання: а яка найгустіша буде? Здається, що теж алмаз, а ні. Виявляється, форму вуглецю щільніше за алмаз можна придумати, принаймні, на комп'ютері і принципово її можна синтезувати. Причому таких гіпотетичних форм багато.

- Навіть так?

- Навіть так. Але твердіше за алмаз нічого не виходить. Відповіді на такі питання люди навчилися отримувати зовсім недавно. Нещодавно з'явилися алгоритми, з'явилися програми, які можуть це робити. В даному випадку, власне, вся ця сфера досліджень виявилася пов'язаною з нашими роботами 2006 року. Після цього багато інших дослідників теж почали займатися цим завданням. Загалом, досі ми пальму першості не упускаємо і вигадуємо все нові та нові методи, нові та нові матеріали.

- "Ми це хто?

— Це я та мої студенти, аспіранти та наукові співробітники.

— Щоб було зрозуміло, бо «ми» воно таке багатозначне, в даному випадку полісемантичне, його можна сприйняти по-різному. А що такого революційного?

— Справа в тому, що люди усвідомили, що це завдання пов'язане з нескінченно складною комбінаторною проблемою, тобто кількість варіантів, серед яких потрібно вибрати найкращий, нескінченно. Як це завдання можна вирішити? Та ніяк. До неї можна просто не підходити та почуватися комфортно. Але ми знайшли спосіб, яким це завдання можна вирішувати досить ефективно, спосіб, заснований на еволюції. Це, можна сказати, метод послідовних наближень, коли від спочатку слабких рішень методом послідовного вдосконалення ми приходимо до більш досконалих рішень. Можна сміливо сказати, що це метод штучного інтелекту. Штучний інтелект, який робить низку припущень, частина їх відбраковує, та якщо з найбільш правдоподібних, найцікавіших структур і складів конструює ще цікавіші. Тобто він навчається на своїй власній історії, тому це можна назвати штучним інтелектом.

— Хотілося б розуміти, як ви винаходите, вигадуєте нові матеріали на певному прикладі.

— Спробуймо це описати на прикладі того ж вуглецю. Ви хочете передбачити, яка форма вуглецю є найбільш твердою. Визначається невелика кількість випадкових структур вуглецю. Які структури будуть складатися з дискретних молекул, як фулерени; якісь структури будуть складатися з верств, як графіт; якісь складатимуться з ланцюжків вуглецю, так звані карбини; якісь будуть тривимірні, на кшталт алмазу (але не тільки алмаз, таких структур нескінченно багато). Ви такого роду структури спочатку генеруєте випадковим чином, потім ви робите локальну оптимізацію, або те, що ми називаємо релаксацією. Тобто ви рухаєте атоми до тих пір, поки результуюча сила на атомі не обнулиться, доки не зникнуть всі напруження в структурі, поки вона не увійде до свого ідеального вигляду або не набере своєї найкращої локальної форми. І для цієї структури ви розраховуєте властивості, наприклад, твердість. Дивимося на твердість фулеренів. Там сильні зв'язки, але лише всередині молекули. Самі молекули між собою пов'язані дуже слабо, завдяки цьому твердість практично нульова. Дивіться на графіт - та сама історія: сильні зв'язки всередині шару, слабкі між шарами, і в результаті речовина дуже легко дезінтегрується, твердість його буде дуже мала. Речовини, такі як фулерени або карбини, або графіт, виявляться дуже м'якими, і ми їх відразу ж відбраковуємо. Ті ж структури вуглецю тривимірнозв'язні, в них сильні зв'язки у всіх трьох вимірах, з цих структур ми вибираємо найбільш тверді і їм даємо можливість виробляти дочірні структури. Як це виглядає? Беремо одну структуру, беремо іншу структуру, вирізаємо їх шматки, збираємо їх разом, як у конструкторі, і знову релаксуємо, тобто даємо можливість усім напругам піти. Бувають мутації – це ще один спосіб твору нащадків із батьків. Беремо одну з найбільш твердих структур і мутуємо її, наприклад, прикладаємо величезну напругу зсуву так, щоб якісь зв'язки там просто лопнули, а інші, нові, утворилися. Або зрушуємо атоми у найслабших напрямках структури, щоб цю слабкість прибрати із системи. Всі таким чином вироблені структури ми релаксуємо, тобто прибираємо внутрішню напругу, і після цього знову оцінюємо властивості. Буває так, що ми взяли тверду структуру, мутували її, і вона стала м'якою, перетворилася, скажімо, на графіт. Ми таку структуру відразу ж прибираємо. А з тих, які тверді, знову робимо «дітей». І так повторюємо крок за кроком, покоління за поколінням. І досить швидко ми приходимо до алмазу.

— При цьому моменти, коли ми відбраковуємо, порівнюємо, з'єднуємо та змінюємо структуру, чи робить штучний інтелект, чи робить програма? Не людина?

- Це робить програма. Якби ми це робили, ми опинилися б у Кащенку, бо це величезна кількість операцій, які не потрібно людині робити і з цілком наукових причин. Ви ж розумієте, людина народжується, вбирає в себе досвід із навколишнього світу, і з цим досвідом приходять свого роду забобони. Ми бачимо симетричну структуру — говоримо: «Це добре»; ми бачимо несиметричну — кажемо: це погано. Але для природи іноді буває навпаки. Наш метод має бути вільний від людських суб'єктивностей та забобонів.

— Правильно я розумію з того, що Ви описали, що в принципі це завдання формулюється не так фундаментальною наукою, як вирішенням цілком конкретних завдань, поставлених якоюсь черговою транснаціональною компанією? Ось нам потрібен новий цемент, щоб він був більш в'язкий, щільніший або, навпаки, рідкіший і так далі.

- Зовсім ні. Насправді я прийшов із фундаментальної науки за своєю освітою, вчився все-таки фундаментальної науки, а не прикладної. Я зараз зацікавився рішенням прикладних завдань, тим більше що методологія, яку я винайшов, застосовується для найважливіших прикладних завдань широкого спектру. Але спочатку цей метод винаходився на вирішення фундаментальних завдань.

- Якого роду?

— Я тривалий час займався фізикою та хімією високих тисків. Це область, в якій було зроблено багато цікавих відкриттів експериментальним шляхом. Але експерименти складні, і часто експериментальні результати з часом виявлялися неправильні. Експерименти дорогі, трудомісткі.

- Наведіть приклад.

— Наприклад, довгий час були перегони між радянськими та американськими вченими: хто отримає перший металевий водень під тиском. Потім виявилося, наприклад, що багато простих елементів під тиском стають (це таке алхімічне перетворення) перехідним металом. Наприклад, ви берете калій: у калію на валентній оболонці тільки один s-електрон, тож під тиском він стає d-елементом; s-орбіталь спустошується, а незаселена d-орбіталь заселяється цим єдиним електроном. І це дуже важливо, тому що калій, стаючи перехідним металом, потім отримує можливість входити, наприклад, рідке залізо. Чому це важливо? Тому що зараз ми вважаємо, що калій у невеликих кількостях входить до складу ядра Землі і є джерелом тепла. Справа в тому, що один із ізотопів калію (радіоактивний калій-40) є одним із основних виробників тепла на Землі сьогодні. Якщо калій не входить у ядро ​​Землі, тоді ми повністю маємо змінити наше уявлення про вік життя Землі, про вік магнітного поля, історію ядра Землі та багатьох інших цікавих речах. Ось алхімічне перетворення – s-елементи стають d-елементами. При високому тиску, коли ви стискаєте речовину, енергія, яку ви витрачаєте на стиск, рано чи пізно перевищить енергію хімічного зв'язку та енергію міжорбітальних переходів в атомах. І завдяки цьому ви можете кардинально змінити електронну структуру атома і тип хімічного зв'язку у вашій речовині. Можуть виникати нові типи речовин. І стандартна хімічна інтуїція в таких випадках не працює, тобто ті правила, які ми вчимо зі шкільної лави на уроках хімії, вони летять у тартарари, коли тиск досягає чималих величин. Я можу вам розповісти, які речі були передбачені за допомогою нашого методу і потім експериментально доведені. Коли цей метод з'явився, це стало всім шоком. Одна з найцікавіших робіт пов'язана з елементом натрієм. Ми передбачили, що, якщо стиснути натрій до тиску близько 2 мільйонів атмосфер (до речі, тиск у центрі Землі майже 4 мільйони атмосфер, і експериментально можна такі тиски отримувати), він виявиться вже не металом, а діелектриком, більш того, прозорим і червоним. кольори. Коли ми зробили це пророцтво, нам не вірив ніхто. Журнал Nature, до якого ми надіслали ці результати, навіть відмовився цю статтю розглядати, вони сказали, що повірити в це неможливо. Я зв'язався з експериментаторами з групи Михайла Єремця, які теж мені сказали, що повірити в це неможливо, але з поваги вони спробують провести такий експеримент. І цей експеримент повністю підтвердив наші прогнози. Було передбачено структуру нової фази елемента бору — найтвердіша структура для цього елемента, одна з найтвердіших відомих людству речовин. І там виявилося, що різні атоми бору мають різний електричний заряд, тобто вони раптом стають різними: якісь позитивні, якісь негативно заряджені. Ця стаття за якісь три роки була процитована майже 200 разів.

— Ви сказали, що це завдання є фундаментальним. Чи ви вирішуєте насамперед фундаментальні завдання і лише нещодавно — якісь практичні питання? Історія із натрієм. Навіщо? Тобто ви сиділи, сиділи і думали, що ж взяти — візьму я натрій, мабуть, і стисну його у 2 мільйони атмосфер?

- Не зовсім так. Я отримав грант на вивчення поведінки елементів під високим тиском, щоб краще зрозуміти хімію елементів. Експериментальні дані під високим тиском таки дуже фрагментарні, і ми вирішили прошерстити більш-менш всю Періодичну таблицю, щоб зрозуміти, як елементи та їхня хімія змінюються під тиском. Нами було опубліковано цілу низку статей, зокрема, про природу надпровідності в кисні під тиском, адже кисень під тиском стає надпровідником. По ряду інших елементів: лужних елементів або лужноземельних елементів і так далі. Але найцікавішим, мабуть, було відкриття нових явищ у натрії та у борі. Це, мабуть, були два елементи, які нас найбільше здивували. Так ми розпочинали. А зараз ми перейшли до вирішення та практичних завдань, ми співпрацюємо з такими компаніями, як Intel, Samsung, Fujitsu, Toyota, Sony. Toyota, як мені відомо, за допомогою нашого методу нещодавно винайшла новий матеріал для літієвих акумуляторів і збирається цей матеріал випускати на ринок.

— Вони взяли ваш метод, взяли технології пошуку матеріалів, але не вас?

- Так звичайно. Ми не нав'язуємо себе в навантаження, а намагаємось допомогти всім дослідникам. Наша програма доступна всім, хто хоче нею користуватися. Компаніям потрібно щось заплатити за право користування програмою. А вчені, які працюють в академічній науці, отримують її безкоштовно, просто завантажуючи з нашого вебсайту. Наша програма вже має майже 2 тисячі користувачів по всьому світу. І я дуже радію, коли бачу, що наші користувачі чогось хорошого досягають. У мене, у моєї групи більш ніж достатньо своїх відкриттів, своїх робіт, своїх осяянь. Коли те саме ми бачимо в інших групах, це тільки тішить.

Матеріал підготовлений на основі радіопередачі «ПостНаука» на радіо «Русская служба новостей».

Суть пошуку найбільш стійкої структури зводиться до обчислення такого стану речовини, яка має найменшу енергію. Енергія у разі залежить від електромагнітного взаємодії ядер і електронів атомів, у тому числі складається досліджуваний кристал. Її можна оцінити за допомогою квантово-механічних розрахунків, заснованих на спрощеному рівнянні Шредінгера. Так, в алгоритмі USPEX використовується теорія функціоналу щільності, яка набула розвитку у другій половині минулого століття. Її основна мета полягає у спрощенні розрахунків електронної структури молекул та кристалів. Теорія дозволяє замінити багатоелектронну хвильову функцію електронною щільністю, причому залишаючись формально точної (але насправді наближення виявляються неминучими). На практиці це призводить до зменшення складності обчислень і, як наслідок, часу, який на них буде витрачено. Таким чином, квантово-механічні розрахунки поєднуються з еволюційним алгоритмом USPEX (рис. 2). Як працює еволюційний алгоритм?

Шукати структури з найменшою енергією можна перебором: випадково розташовувати атоми один щодо одного та аналізувати кожен такий стан. Але оскільки кількість варіантів величезна (навіть якщо атомів всього 10, то можливостей їхнього розташування один щодо одного буде близько 100 мільярдів), то розрахунок зайняв би надто велику добу. Тому успіху вченим вдалося досягти лише після розробки хитрішого методу. Алгоритм USPEX ґрунтується на еволюційному підході (рис. 2). Спочатку випадково генерується невелика кількість структур і розраховується їх енергія. Варіанти з найбільшою енергією, тобто найменш стійкі, система видаляє, а з найбільш стійких генерує подібні та обраховує вже їх. Одночасно випадковим чином комп'ютер продовжує генерувати нові структури підтримки різноманітності популяції, що є невід'ємною умовою успішної еволюції.

Таким чином, розв'язати задачу передбачення кристалічних структур допомогла логіка, взята з біології. Важко сказати, що в цій системі є ген, тому що нові структури можуть відрізнятися від своїх попередників різними параметрами. Найбільш пристосовані до умов відбору особи залишають потомство, тобто алгоритм, навчаючись на своїх помилках, максимізує шанси на успіх у наступній спробі. Система досить швидко знаходить варіант із найменшою енергією та ефективно обраховує ситуацію, коли структурна одиниця (осередок) містить десятки і навіть перші сотні атомів, тоді як попередні алгоритми не могли впоратися і з десятьма.

Одне з нових завдань, яке ставиться перед USPEX'ом в МФТІ, - передбачення третинної структури білків за їх амінокислотною послідовністю. Ця проблема сучасної молекулярної біології входить до числа ключових. Загалом перед вченими завдання стоїть дуже непросте ще й тому, що розрахувати енергію для такої складної молекули, як білок, важко. За словами Артема Оганова, його алгоритму вже вдається прогнозувати структуру пептидів завдовжки приблизно 40 амінокислот.

Відео 2. Полімери та біополімери.Які речовини належать до полімерів? Яка структура полімеру? Наскільки поширене застосування полімерних матеріалів? Про це розповідає професор, PhD in Crystallography Артем Оганов.

Пояснення USPEXа

В одній зі своїх науково-популярних статей Артем Оганов (рис. 3) описує USPEX так:

«Ось образний приклад для демонстрації спільної ідеї. Уявіть, що потрібно знайти найвищу гору на поверхні невідомої планети, де панує повна темрява. З метою економії ресурсів важливо зрозуміти, що нам потрібна не повна карта рельєфу, а лише найвища точка.

Малюнок 3. Артем Ромаєвич Оганов

Ви висаджуєте на планету невеликий десант біороботів, відправляючи їх поодинці у довільні місця. Інструкція, яку кожен робот повинен виконувати, - йти поверхнею проти сил гравітаційного тяжіння і в результаті досягти вершини найближчого пагорба, координати якого він і повинен повідомити орбітальну базу. На великий дослідницький контингент ми не маємо коштів, а ймовірність, що один із роботів відразу ж підійметься на найвищу гору, вкрай мала. Отже, треба застосувати відомий принцип російської військової науки: „воюй не числом, а вмінням“, реалізований у вигляді еволюційного підходу. Пеленгуючи найближчого сусіда, роботи зустрічаються і відтворюють собі подібних, розставляючи їх уздовж лінії між "своїми" вершинами. Нащадки біороботів приступають до виконання тих самих інструкцій: вони рухаються у напрямку піднесення рельєфу, досліджуючи область між двома вершинами їхніх „батьків“. Тих „особин“, яким попалися вершини нижче за середній рівень, відкликають (так здійснюється селекція) і десантують заново випадковим чином (так моделюється підтримка „генетичного розмаїття“ популяції)» .

Як оцінити помилку, з якою працює USPEX? Можна взяти завдання із заздалегідь відомою правильною відповіддю і 100 разів незалежно вирішити її за допомогою алгоритму. Якщо правильну відповідь буде отримано у 99 випадках, то ймовірність помилки розрахунків становитиме 1%. Зазвичай правильні передбачення виходять із ймовірністю 98–99%, коли кількість атомів в елементарному осередку становить 40 штук.

Еволюційний алгоритм USPEX привів до багатьох цікавих відкриттів і навіть розробки нової лікарської форми медичного препарату, про що буде розказано нижче. Цікаво, що буде, коли з'являться суперкомп'ютери нового покоління? Чи зміниться докорінно алгоритм передбачення кристалічних структур? Наприклад, деякі вчені займаються розробками квантових комп'ютерів. У перспективі вони будуть набагато ефективнішими, ніж найдосконаліші сучасні. На думку Артема Оганова, еволюційні алгоритми залишать за собою позицію лідера, проте почнуть працювати швидше.

Напрями роботи лабораторії: від термоелектриків до ліків

USPEX виявився алгоритмом не лише ефективним, а й багатофункціональним. На даний момент під керівництвом Артема Оганова ведеться безліч наукових праць з різних напрямків. Одні з останніх проектів – спроби моделювання нових термоелектричних матеріалів та передбачення структури білків.

«У нас є кілька проектів, один з них – це вивчення низькорозмірних матеріалів, таких як наночастки, поверхні матеріалів, Інший – вивчення хімічних речовин під високим тиском. Є ще цікавий проект, пов'язаний із передбаченням нових термоелектричних матеріалів. Зараз ми вже знаємо, що адаптація методу передбачення кристалічних структур, який ми вигадали, до завдань термоелектрики працює ефективно. На даний момент ми вже готові до великого ривка, результатом якого має стати відкриття нових термоелектричних матеріалів. Вже зрозуміло, що метод, який ми створили для термоелектриків дуже потужний, проведені тести успішні. І ми повністю готові шукати власне нові матеріали. Також ми займаємося передбаченням та вивченням нових високотемпературних надпровідників. Запитуємо про прогноз структури білків. Це для нас нове завдання і дуже цікаве».

Цікаво, що USPEX вже приніс користь навіть медицині: «Більш того ми розробляємо нові медичні препарати. Зокрема, нами було передбачено, отримано та запатентовано нові ліки,- Розповідає А.Р. Оганів. - Це гідрат 4-амінопіридину, ліки від розсіяного склерозу..

Йдеться про нещодавно запатентований співробітниками лабораторію комп'ютерного дизайну матеріалів Валерій Ройзен (рис. 4), Анастасію Наумову та Артем Оганов препарат, що дозволяє симптоматично лікувати розсіяний склероз. Патент відкритий, що допоможе знизити ціну на ліки. Розсіяний склероз – це хронічне аутоімунне захворювання, тобто одна з тих патологій, коли власна імунна система шкодить господареві. При цьому ушкоджується мієлінова оболонка нервових волокон, яка в нормі виконує електроізолюючу функцію. Вона дуже важлива для нормальної роботи нейронів: струм по виростам нервових клітин, покритих мієліном, проводиться в 5-10 разів швидше, ніж непокритим. Тому розсіяний склероз призводить до порушень у роботі нервової системи.

Причини виникнення розсіяного склерозу залишаються остаточно не з'ясованими. Зрозуміти їх намагаються у багатьох лабораторіях світу. У Росії цим займається лабораторія біокаталізу в Інституті біоорганічної хімії.

Малюнок 4. Валерій Ройзен - один із авторів патенту на ліки від розсіяного склерозу,співробітник лабораторії комп'ютерного дизайну матеріалів, який розробляє нові лікарські форми медичних препаратів та активно займається популяризацією науки.

Відео 3. Науково-популярна лекція Валерія Ройзена "Смачні кристали".Ви дізнаєтеся про принципи роботи ліків, про важливість форми доставки медикаменту в організм людини та про злого брата-близнюка аспірину.

Раніше 4-амінопіридин у клініці вже використовували, але вченим вдалося, змінивши хімічний склад, покращити всмоктування цих ліків у кров. Вони отримали кристалічний гідрат 4-амінопіридину (рис. 5) зі стехіометрією 1:5. У такій формі були запатентовані самі ліки та спосіб його отримання. Речовина покращує викид нейромедіаторів у нервово-м'язових синапсах, що полегшує самопочуття пацієнтів із розсіяним склерозом. Варто зазначити, що такий механізм має на увазі лікування симптомів, але не самого захворювання. Крім біодоступності важливим моментом у новій розробці є таке: оскільки вдалося «укласти» 4-амінопіридин у кристал, він став зручнішим для використання в медицині. Кристалічні речовини відносно легко отримати в очищеному та однорідному вигляді, а свобода препарату від потенційно шкідливих домішок – один із ключових критеріїв хороших ліків.

Відкриття нових хімічних структур

Як було зазначено вище, USPEX дозволяє знаходити нові хімічні структури. Виявляється, навіть у «звичного» вуглецю є свої загадки. Вуглець - дуже цікавий хімічний елемент, тому що формує набір структур, починаючи від надтвердих діелектриків, закінчуючи м'якими напівпровідниками і навіть суперпровідниками. До перших можна віднести алмаз і лонсдейліт, до других – графіт, до третіх – деякі фулерени при низьких температурах. Незважаючи на широке розмаїття відомих форм вуглецю, вченим під керівництвом Артема Оганова вдалося відкрити принципово нову структуру: раніше не було відомо, що вуглець може формувати комплекси на кшталт «гость-господар» (рис. 6). У роботі брали участь зокрема й співробітники лабораторії комп'ютерного дизайну матеріалів (рис. 7).

Малюнок 7. Олег Фея, аспірант МФТІ, співробітник лабораторії комп'ютерного дизайну матеріалів та один із авторів відкриття нової структури вуглецю. У вільний час Олег займається популяризацією науки: його статті можна прочитати у виданнях "Кіт Шредінгера", "За науку", STRF.ru, "Країна Росатом". Крім того, Олег – переможець московського Science Slamта учасник телешоу «Найрозумніший».

Взаємодія «гість-господар» проявляється, наприклад, у комплексах, що складаються з молекул, які пов'язані один з одним нековалентними зв'язками. Тобто якийсь атом/молекула займає певне місце в кристалічній решітці, але при цьому не утворює ковалентного зв'язку з оточуючими сполуками. Така поведінка широко поширена серед біологічних молекул, які зв'язуються одна з одною, утворюючи міцні та великі комплекси, що виконують різні функції в нашому організмі. В цілому, маються на увазі з'єднання, що складаються з двох типів структурних елементів. Для речовин, утворених лише вуглецем, такі форми були відомі. Своє відкриття вчені опублікували у 2014 році, розширивши наші знання про властивості та поведінку 14-ї групи хімічних елементів загалом (рис. 8). Варто зазначити, що у відкритій формі вуглецю ковалентні зв'язки між атомами утворюються. Мова про тип гість-господар йде через наявність чітко виражених двох типів атомів вуглецю, що мають зовсім різне структурне оточення.

Нова хімія під високим тиском

У лабораторії комп'ютерного дизайну матеріалів вивчають, які речовини виявляться стабільними за високого тиску. Ось як завідувач лабораторії аргументує інтерес до таких досліджень: «Ми вивчаємо матеріали під високим тиском, зокрема нову хімію, яка з'являється за таких умов. Це дуже незвичайна хімія, яка не вписується до правил традиційної. Отримані знання про нові сполуки призведуть до розуміння того, що відбувається усередині планет. Тому що ці незвичайні хімічні речовини можуть виявити себе як дуже важливі матеріали планетних надр».Важко передбачити, як поводяться речовини під високим тиском: більшість хімічних правил перестає працювати, тому що ці умови дуже відрізняються від звичних нам. Проте розуміти це потрібно, якщо ми хочемо знати, як влаштований Всесвіт. Левова частка баріонної речовини Всесвіту знаходиться саме під високим тиском усередині планет, зірок, супутників. Дивно, але про його хімію відомо ще небагато.

Нову хімію, що реалізується за високого тиску в лабораторії комп'ютерного дизайну матеріалів МФТІ вивчає PhD (ступінь, аналогічна кандидату наук) Габрієлі Салех (Gabriele Saleh):

«Я хімік, і мене цікавить хімія за високих тисків. Чому? Тому що ми маємо правила хімії, які були сформульовані 100 років тому, але нещодавно виявилося, що вони перестають працювати при високих тисках. І це дуже цікаво! Схоже на парк: є феномен, який ніхто не може пояснити; досліджувати новий феномен і намагатися зрозуміти, чому він відбувається – це дуже цікаво. Ми розпочали розмову з фундаментальних речей. Але високі тиски існують у реальному світі. Звичайно, не в цій кімнаті, а всередині Землі та на інших планетах» .

Since I'm a chemist I'm interested в high-pressure chemistry. Why? Тому що будуть хімічні правила, які були встановлені один рік тому, але раніше він був усвідомлений, що ці правила постачає при високому тиску. And it is very interesting! Це є як loonopark тому, що ви маєте феноменон, який не може бути rationalize. It's interesting to study новий phenomenon і try to understand why does it happen. Випускається з основної точки зору. Але ці великі pressures exist. Не в цьому курсі курсу, але всередині земної та іншої планети.

Малюнок 9. Вугільна кислота (H 2 CO 3) – стабільна під тиском структура. У вставці зверхупоказано, що вздовж осі Сформуються полімерні структури. Вивчення системи «вуглець-кисень-водень» під високими тисками дуже важливе для розуміння того, як влаштовані планети. H 2 O (вода) і CH 4 (метан) є головними складовими деяких гігантських планет - наприклад Нептуна та Урана, де тиск може сягати сотень ГПа. Великі крижані супутники (Ганімед, Каллісто, Титан) та комети теж містять воду, метан та вуглекислий газ, на які діє тиск до кількох ГПа.

Габріеле розповів нам про свою нову роботу, яка нещодавно була прийнята до публікації:

«Іноді ви займаєтеся фундаментальною наукою, але потім виявляєте пряме застосування здобутого знання. Наприклад, ми нещодавно надіслали для публікації статтю, де описуємо результати пошуку всіх стабільних сполук, що виходять з вуглецю, водню і кисню при високому тиску. Ми знайшли один, стабільний при дуже низьких тисках, таких як 1 ГПа , і ним виявилася вугільна кислота H 2 CO 3(Рис. 9). Я вивчив літературу з астрофізики і виявив, що супутники Ганімед і Каллісто [супутники Юпітера] складаються з води та вуглекислого газу: з молекул, що формують вугільну кислоту. Таким чином, ми зрозуміли, що наше відкриття дозволяє припустити утворення там вугільної кислоти. Це те, про що я казав: все почалося з фундаментальної науки і закінчилося чимось важливим для вивчення супутників та планет» .

Зазначимо, що такі тиски виявляються низькими щодо тих, що в принципі можна знайти у Всесвіті, але високими порівняно з тими, що діють на нас біля Землі.

З деякими способами вивчити для глибокого ступеня, але ти знаєш, що це має право застосування. Для прикладу ми маємо незмінно підписаний матеріал в яких ми бачимо карбон, хлорид, оксиген на високому тиску і будь-який витрачають на всі загальні складові. Був один, який був карбоній acid і він був стабільний в дуже низькому тиску як один gigapascal. Я вивчав astrophysics літературу і заперечував: вони є сателліти такими, як Ганімед або Калісто. На ньому є карбон dioxide and water. Molecules which form this carbonic acid. Так що були зроблені, що ця discovery means that probably they would be carbonic acid. Це what I mean by started for fundamental and discovering something which is applicable to planetary science.

Інший приклад незвичайної хімії, який можна навести, стосується загальновідомої кухонної солі NaCl. Виявляється, якщо ви зможете створити у вашій сільничці тиск 350 гПа, то отримаєте нові з'єднання. 2013 року під керівництвом О.Р. Оганова було показано, що якщо прикласти високий тиск до NaCl, стабільними стануть незвичайні сполуки - наприклад NaCl 7 (рис. 10) і Na 3 Cl . Цікаво, що багато відкритих речовин є металами. Габріеле Салех та Артем Оганов продовжили піонерську роботу, в якій показали екзотичну поведінку хлоридів натрію під високим тиском та розробили теоретичну модель, яку можна використовувати для передбачення властивостей сполук лужних металів з галогенами.

Вони описали правила, яким підпорядковуються ці речовини за таких незвичайних умов. З використанням алгоритму USPEX кілька з'єднань з формулою А 3 Y (A = Li, Na, K; Y = F, Cl, Br) теоретично піддали тиску до 350 ГПа. Це призвело до відкриття хлорид-іонів в окисленому стані -2. "Стандартна" хімія це забороняє. У таких умовах можуть утворюватися нові речовини, наприклад, з хімічною формулою Na 4 Cl 3 .

Малюнок 10. Кристалічна структура звичайної солі NaCl ( зліва) та незвичайної сполуки NaCl 7 ( справа), стабільного під тиском.

Хімії потрібні нові правила

Габріеле Салех (рис. 11) розповів про своє дослідження, спрямоване на опис нових правил хімії, які мали б передбачувальну силу не тільки в стандартних умовах, але описували б поведінку та властивості речовин під високим тиском (рис. 12).

Малюнок 11. Габріеле Салех (Gabriele Saleh)

«Два чи три роки тому професор Оганов відкрив, що така проста сіль, як NaCl, під високим тиском не така вже й проста: натрій і хлор можуть утворювати й інші сполуки. Але ніхто не знав чому. Вчені виконали розрахунки, отримали результати, але залишалося невідомим, чому все відбувається так, а чи не інакше. Ще з аспірантури я вивчаю хімічний зв'язок, і в ході дослідження мені вдалося сформулювати деякі правила, що логічно пояснюють те, що відбувається. Я вивчив, як електрони поводяться у складі таких сполук, і прийшов до загальних закономірностей, характерних для них під високим тиском. Для того щоб перевірити, чи є ці правила плодом моєї уяви або все ж таки об'єктивно вірні, я передбачив структури схожих з'єднань - LiBr або NaBr і ще кількох схожих. І справді - дотримуються загальних правил. Якщо коротко, то я бачив, що є така тенденція: коли ви прикладаєте тиск до таких сполук, то вони утворюють структуру двовимірного металу, а потім одномірного. Потім під дуже високим тиском починають відбуватися більш дикі речі, тому що у хлору в такому випадку буде ступінь окислення −2. Усі хіміки знають, що з хлору ступінь окислення −1, це типовий приклад із підручника: натрій втрачає електрон, а хлор його забирає. Тому окислювальні числа виходять +1 та −1 відповідно. Але під високим тиском все працює негаразд. Ми показали це за допомогою деяких підходів для аналізу хімічних зв'язків. Також під час роботи я шукав спеціальну літературу, щоб зрозуміти, чи вже хтось спостерігав такі закономірності. І виявилось, що так, спостерігали. Якщо я не помиляюся, вісмутат натрію та деякі інші сполуки підпорядковуються описаним правилам. Звісно, ​​це лише початок. Коли опублікують наступні роботи по темі, ми дізнаємося, чи має наша модель реальну передбачувальну силу. Тому що це саме те, що ми шукаємо. Ми хочемо описати хімічні закони, які б дотримувалися і при високих тисках» .

Два або три роки тому професор Оганов розповідає, що простий salt NaCl при високому тиску не є дуже простим і іншим складом буде формою. Але nobody know why. Вони спричиняють калькуляцію вони проходять результати, але ви не можете думати, що це хлопець. З часу, коли ми PhD, я спеціалізується в вивченні хімічного bonding, я вивчити ці складові і я find some rule to rationalize what is going on. I investigated how electrons behave в цих compounds and I came up with some rules which this kinds of compounds will follow at high pressure. Щоб виконати, які мої правила були тільки мої imagination або вони були true, я висловлюю нові структури подібних компонентів. Для прикладу LiBr або NaBr і деякі комбінації як це. And yes, ці правила беруть від того, щоб бути сповненим. У шорти, тільки не дуже специфічний, I've seen that there is a tendency: when you compress them they would for form of 2-dimensional metals, then 1-dimensional structure of metal. And then at very high pressure some more wild would happen because the Cl in this case will have the oxidation number of −2. Всі хімічні знають, що низький окислення номер Cl є −1, який є типовим текстовим літером example: sodium loses electron and chlorine gets it. So we have +1 and −1 oxidation numbers. Але на дуже високому тиску він не є true anymore. Виявлено це з деякими підходами для хімічної bonding analysis. У тому, що робота також я маю на увазі в літературі, щоб подумати, і якщо деякі з них мають цю дитину правил до. And yes, it turned out that there were some. If I'm не mistaken, Na-Bi та інші складові кинуться з наступних правил. Це є just a starting point, of course. Інші papers буде керувати і буде бути повідомити, що цей model має реальний prediktivní потужність. Тому це є те, що ви робите для. We want to sketch the chemistry which will work also for high pressure.

Малюнок 12. Структура речовини з хімічною формулою Na 4 Cl 3 яка формується при тиску 125-170 ГПащо наочно демонструє появу «дивної» хімії під тиском.

Якщо експериментувати, то вибірково

Незважаючи на те, що алгоритм USPEX відрізняється великою передбачувальною силою в рамках своїх завдань, теорія завжди потребує експериментальної перевірки. Лабораторія комп'ютерного дизайну матеріалів - теоретична, випливає навіть з її назви. Тому експерименти проводять у співпраці з іншими науковими колективами. Стратегію дослідження, ухвалену в лабораторії, Габріеле Салех коментує так:

«Ми не проводимо експериментів – ми теоретики. Але часто співпрацюємо із людьми, які це роблять. Насправді я думаю, що це взагалі важко. Сьогодні наука вузькоспеціалізована, тому не просто знайти когось, хто займається і тим, і іншим» .

We don’t do experiments, but often we collaborate with some people who do experiments. Actually I think in fact it's hard. Nowadays the science is very specialized so it's hard to find somebody who does both.

Один із найяскравіших прикладів – передбачення прозорого натрію. У 2009 році у журналі Natureбули опубліковані результати роботи, виконаної під керівництвом Артема Оганова. У статті вчені описали нову форму Na, де він є прозорим неметалом, стаючи під тиском діелектриком. Чому так відбувається? Це з поведінкою валентних електронів: під тиском вони витісняються в порожнечі кристалічних ґрат, утвореної атомами натрію (рис. 13). При цьому зникають металеві властивості речовини та з'являються якості діелектрика. Тиск 2 млн атмосфер робить натрій червоним, а 3 млн - безбарвним.

Малюнок 13. Натрій під тиском понад 3 млн. атмосфер. Синім кольоромпоказана кристалічна структура з атомів натрію, помаранчевим- Згустки валентних електронів у порожнинах структури.

Мало хто вірив у те, що класичний метал може демонструвати таку поведінку. Однак у колаборації з фізиком Михайлом Єремцем були отримані експериментальні дані, що повністю підтвердили передбачення (рис. 14).

Малюнок 14. Фотографії зразка Na, отримані при поєднанні освітлення, що проходить і відображено.До зразка були прикладені різні тиски: 199 гПа (прозора фаза), 156 гПа, 124 гПа та 120 гПа.

Працювати треба з вогником!

Артем Оганов розповів нам, які вимоги він висуває до своїх співробітників:

«По-перше, вони повинні мати добру освіту. По-друге, бути працюючими. Якщо людина лінива, то я її не візьму на роботу, а якщо раптом помилково візьму, то вона буде вигнана. Кілька співробітників, які виявилися лінивими, інертними, аморфними, я просто звільнив. І вважаю, що це абсолютно правильно і добре навіть для самої людини. Тому що якщо людина не на своєму місці, вона не буде щасливою. Йому треба піти туди, де він працюватиме з вогником, із запалом, із задоволенням. І це і для лабораторії добре, і для людини добре. А ті хлопці, які реально працюють красиво, з вогником, тим ми платимо хорошу зарплату, вони їздять на конференції, вони пишуть статті, які потім виходять у найкращих світових журналах, у них все буде добре. Тому що вони на своєму місці і тому що лабораторія має хороші ресурси для того, щоб їх підтримувати. Тобто хлопцям не потрібно думати про підробіток, щоб вижити. Вони можуть сконцентруватися на науці, на своїй улюбленій справі та успішно ним займатися. У нас зараз з'явилися деякі нові гранти, і це відкриває нам можливість найняти ще кілька людей. Конкурс є постійно. Цілий рік люди подають заявки, беру, звичайно, далеко не всіх».. (2016). Кристаллогідрат 4-амінопіридину, спосіб його отримання, фармацевтична композиція та спосіб лікування та/або профілактики на її основі. Phys. Chem. Chem. Phys. 18 , 2840–2849;

Артем Оганов, один із найбільш цитованих мінералогів-теоретиків світу, розповів нам про комп'ютерне передбачення, яке нещодавно стало досяжним. Раніше це завдання неможливо було вирішити тому, що проблема комп'ютерного дизайну нових матеріалів включає в себе проблему кристалічних структур, що вважалася нерозв'язною. Але завдяки старанням Оганова та його колег вдалося наблизитися до цієї мрії та її втілити в реальність.

Чому це завдання важливе: раніше нові речовини вироблялися дуже довго і з великою кількістю зусиль.

Артем Оганов: «Експериментатори йдуть до лабораторії. Змішують різні речовини при різних температурах та тисках. Отримують нові речовини. Вимірюють їх властивості. Як правило, ці речовини не становлять жодного інтересу, відбраковуються. І експериментатори намагаються знову отримати вже трохи іншу речовину за інших умов, із трохи іншим складом. І так крок за кроком ми долаємо безліч невдач, витрачаючи на це роки свого життя. Виходить, що дослідники, сподіваючись отримати один матеріал, витрачають величезну кількість зусиль, часу, а також грошей. Цей процес може тривати роки. Він може виявитися глухим і ніколи не призвести до відкриття потрібного матеріалу. Але навіть коли він призводить до успіху, цей успіх дається дуже дорогою ціною».

Тому необхідно створити таку технологію, яка могла б робити безпомилкові передбачення. Тобто не експериментувати в лабораторіях, а давати завдання комп'ютеру передбачити, який матеріал, з яким складом та температурою матиме потрібні властивості за певних умов. І комп'ютер, перебираючи численні варіанти, зможе дати відповідь, який хімічний склад та яка кристалічна структура відповідатимуть заданим вимогам. Результат може бути такий, що шуканого матеріалу немає. Або він є не один.
І тут виникає друге завдання, вирішення якого поки що немає: як отримати цей матеріал? Тобто хімічний склад кристалічна структура зрозуміла, але досі немає можливості його реалізувати, наприклад, у промислових масштабах.

Технологія передбачення

Головне, що потрібно передбачити – це кристалічна структура. Раніше не було можливості це завдання вирішити, тому що варіантів розташування атомів у просторі існує багато. Але переважна їх частина не становить жодного інтересу. Важливі варіанти розташування атомів у просторі, які досить стійкі і мають необхідні для дослідника характеристики.
Що це за властивості: висока чи низька твердість, електропровідність та теплопровідність тощо. Важливою є кристалічна структура.

«Якщо ви подумаєте, скажімо, про той самий вуглець, поглянемо на алмаз і на графіт. Хімічно це те саме речовина. Але властивості абсолютно різні. Чорний надм'який вуглець і прозорий надтвердий алмаз – що визначає різницю між ними? Саме кристалічна структура. Саме завдяки їй одна речовина надтверда, інша – надм'яка. Одне є провідником майже металу. Інше є діелектриком».

Щоб навчитися передбачати новий матеріал, потрібно передусім навчитися передбачати кристалічну структуру. Для цього Огановим та його колегами у 2006-му році було запропоновано еволюційний підхід.

«У цьому підході ми не намагаємося випробувати всю безліч кристалічних структур. Ми пробуємо його покроково, починаючи з невеликої випадкової вибірки, усередині якої ранжуємо можливі рішення, найгірші з яких ми відкидаємо. А з кращих виробляємо дочірні варіанти. Дочірні варіанти виробляються шляхом різних мутацій або шляхом рекомбінацій – шляхом спадковості, де з двох батьків ми поєднуємо різні структурні особливості складу. На цьому виходить дочірня структура – ​​дочірній матеріал, дочірній хімічний склад, дочірня структура. Ці дочірні склади потім також оцінюються. Наприклад, за стійкістю або за тією хімічною або фізичною властивістю, яка вас цікавить. І ті, які проранжували невигідними, ми відкидаємо. Ті, що багатообіцяючі, отримують право виробляти потомство. Мутацією чи спадковістю ми виробляємо наступне покоління».

Так крок за кроком вчені наближаються до оптимального їм матеріалу з погляду даного фізичного властивості. Еволюційний підхід у разі працює так само, як і Дарвінівська теорія еволюції, цей принцип Оганов та її колеги здійснюють комп'ютері під час пошуку кристалічних структур, оптимальних з погляду даного властивості чи стабільності.

«Можу також сказати (але це вже трішки на межі хуліганства), що коли ми здійснювали опрацювання цього методу (до речі, розробка триває. Вона вдосконалювалася все більше і більше), ми експериментували з різними способами еволюції. Наприклад, ми пробували виробляти одну дитину не з двох батьків, а з трьох чи чотирьох. Виявилося, що так само, як і в житті, оптимально виробляти одну дитину з двох батьків. У однієї дитини два батьки – тато та мама. Чи не три, не чотири, не двадцять чотири. Це оптимум як у природі, і на комп'ютері».

Свій метод Оганов запатентував, і зараз ним користуються майже тисячі дослідників по всьому світу і кілька найбільших компаній, таких як Intel, Toyota і Fujitsu. Компанія "Тойота", наприклад, за словами Оганова, вже протягом якогось часу за допомогою цього методу винайшла новий матеріал для літієвих акумуляторів, які будуть використовуватись для гібридних автомобілів.

Проблема алмазу

Вважається, що алмаз, як рекордсмен по твердості, є оптимальним надтвердим матеріалом для всіх додатків. Однак це не так, тому що в залозі, наприклад, він розчиняється, а в кисневому середовищі за високої температури горить. Взагалі пошук матеріалу, який був би твердішим за алмаз, хвилював людство багато десятиліть.

«Простий комп'ютерний розрахунок, проведений моєю групою, показує, що такого матеріалу бути не може. Насправді твердіше алмазу може бути лише алмаз, але у нано-кристалічній формі. Інші матеріали побити алмаз за твердістю не в змозі».

Ще один напрямок групи Оганова - прогноз нових діелектричних матеріалів, які могли б послужити основою супер-конденсаторів для зберігання електричної енергії, а також для подальшої мініатюризації комп'ютерних мікропроцесорів.
Ця мініатюризація насправді зустрічає перешкоди. Тому що наявні діелектричні матеріали досить погано витримують електричні заряди. Відбувається їхній витік. І подальша мініатюризація неможлива. Якщо ми зможемо отримати матеріал, який утримується на кремнії, але в той же час має набагато більш високу діелектричну постійну, ніж матеріали, які ми маємо, то ми це завдання зможемо вирішити. І у нас є досить серйозні поступи також і в цьому напрямі».

І останнє, що робить Оганов – це розробка нових лікарських препаратів, тобто теж їхнє передбачення. Це можливо завдяки тому, що вчені навчилися передбачати структуру та хімічний склад поверхні кристалів.

«Справа в тому, що поверхня кристала часто має хімічний склад, який відрізняється від самої речовини кристала. Структура теж дуже часто кардинально відрізняється. І ми виявили, що поверхні простих, здавалося б інертних оксидних кристалів (таких як магнію оксид) містять дуже цікаві іони (такі як пероксид іону). Також вони містять групи, подібні до озону, що складаються з трьох атомів кисню. Це пояснює одне вкрай цікаве та важливе спостереження. Коли людина вдихає дрібнодисперсні частинки оксидних мінералів, які, здавалося б, інертні, безпечні та нешкідливі, ці частинки відіграють злий жарт і сприяють розвитку раку легенів. Зокрема, відомо, що канцерогенною речовиною є азбест, який є виключно інертним. Так ось, на поверхні такого роду мінералів як азбест і кварц (особливо кварц) можуть утворюватися пероксид іони, які відіграють ключову роль у освіті та розвитку раку. За допомогою нашої методики можна також передбачати умови, за яких утворення таких часток можна було б уникнути. Тобто є надія навіть знайти терапію та попередження раку легень. В даному випадку, ми говоримо лише про рак легень. І з абсолютно несподіваного боку результати наших досліджень дали змогу зрозуміти, а може навіть запобігти або вилікувати рак легень».

Якщо підбиває підсумок, то прогноз кристалічних структур може зіграти ключову роль у дизайні матеріалів як для мікроелектроніки, так і для фармацевтики. Загалом така технологія відкриває новий шлях у технології майбутнього, упевнений Оганов.

Почитати про інші напрямки лабораторії Артема можна за посиланням, а ознайомитись з його книгою Modern Methods of Crystal Structure Prediction