Proiectare materiale informatice. Proiectare computerizată de materiale noi. Chimia are nevoie de reguli noi

1. Design computerizat de noi materiale: vis sau realitate? Artem Oganov (ARO) (1) Departamentul de Geoștiințe (2) Departamentul de Fizică și Astronomie (3) Centrul New York pentru Științe Computaționale Universitatea de Stat din New York, Stony Brook, NY 11794-2100 (4) Universitatea de Stat din Moscova, Moscova, 119992, Rusia.
2. Structura materiei: atomi, molecule Anticii au ghicit că materia este formată din particule: „când El (Dumnezeu) nu a creat pământul, nici câmpurile, nici particulele inițiale de praf ale universului” (Proverbe, 8:26). ) (de asemenea - Epicur, Lucretius Car , vechii indieni, ...) În 1611, I. Kepler a sugerat că structura gheții, forma fulgilor de nea, este determinată de structura lor atomică
3. Structura materiei: atomi, molecule, cristale 1669 - nașterea cristalografiei: Nikolai Stenon formulează în interiorul tău prima lege cantitativă a cristalografiei. Oferă minții o anumită satisfacție limitată, iar detaliile ei sunt atât de variate încât poate fi numită inepuizabilă; de aceea îi lasoează chiar și pe cei mai buni oameni atât de tenace și atât de mult timp ”(J.W. Goethe, cristalograf amator, 1749-1832) Ludwig Boltzmann (1844-1906) este un mare fizician austriac care și-a construit toate teoriile pe idei despre atomi. . Critica atomismului l-a determinat să se sinucidă în 1906. În 1912, ipoteza structurii atomice a materiei a fost dovedită prin experimentele lui Max von Laue.
4. Structura este baza pentru înțelegerea proprietăților și comportamentului materialelor (de la http://nobelprize.org) Zinc blende ZnS. Una dintre primele structuri rezolvate de Braggs în 1913. Surpriză: NU există molecule de ZnS în structură!
5. Difracția cu raze X - principala metodă de determinare experimentală a structurii cristaline Structura Model de difracție
6. Corelația dintre structură și modelul de difracție Care va fi modelul de difracție al acestor „structuri”?
7. Triumfurile experimentului - determinarea structurilor cristaline incredibil de complexe Faze incomensurate Cvasicristale ale elementelor Proteine (Rb-IV, U.Schwarz'99) O nouă stare a materiei, descoperită în 1982. Găsită în natură abia în 2009! Premiul Nobel 2011!
8. Stări ale materiei Cristalin Cvasicristalin Amorf Lichid Gazos („Materie moale” – polimeri, cristale lichide)
9. Structura atomică este cea mai importantă caracteristică a materiei. Cunoscând-o, se pot prezice proprietățile materialului și structura sa electronică Teoria Exp. C11 493 482 C22 546 537 C33 470 485 C12 142 144 C13 146 147 C23 160 146 C44 212 204 C55 186 186 Constante elastice ale perovskitului 1461463 146
10. Câteva povestiri 4. Materiale din interiorul pământului 3. Materiale de la un computer 2. Este posibil să se prezică cristalin1. Despre legătura dintre structură, structură și proprietăți
11. De ce gheața este mai ușoară decât apa?Structura gheții conține canale mari goale, care nu se găsesc în apa lichidă. Datorită prezenței acestor canale goale, gheața este mai ușoară decât gheața.
12. Hidrații de gaz (clatrați) - gheață umplută cu molecule invitate (metan, dioxid de carbon, clor, xenon etc.) Numărul de publicații despre clatrați Depozite imense de hidrat de metan - speranță și salvare a energiei? Sub presiune scăzută, metanul și dioxidul de carbon formează clatrați - 1 litru de clatrat conține 168 de litri de gaz! Hidratul de metan arată ca gheața, dar arde pentru a elibera apă. Este hidratul de CO2 o formă de stocare a dioxidului de carbon? Mecanismul anesteziei cu xenon este formarea de Xe-hidrat, care blochează transmiterea semnalelor neuronale către creier (Pauling, 1951)
13. Materiale microporoase pentru industria chimică și purificarea mediului Zeoliții sunt aluminosilicați microporoși.Separarea octanului și izo-octanului de către zeolit este utilizată în industria chimică. industrie Exemple istorice de otrăvire cu metale grele: Qin Shi Huangdi Ivan IV cel Groaznic „Boala lui Nero (37-68) Plumb (259 - 210 î.Hr.) (1530-1584) otrăvire nebună: pălărie” agresiune, demență
14. Supraconductori noi și vechi Fenomenul a fost descoperit în 1911 de Kamerling-Onnes Theory of supraconductivity - 1957 (Bardeen, Cooper, Schrieffer), dar nu există o teorie a supraconductorilor de cea mai înaltă temperatură (Bednorz, Muller, 1986)! Cei mai puternici magneți (RMN, spectrometre de masă, acceleratoare de particule) Trenuri cu levitație magnetică (430 km/h)
15. Surpriză: forme de impurități supraconductoare ale carbonului 1,14 1 Tc  exp[ ] kB g (E F)V Grafit dopat: KC8 (Tc=0,125 K), CaC6 (Tc=11 K). Diamantul dopat B: Tc=4 K. Fulerene dopate: RbCs2C60 (Tc=33 K) Molecula moleculei Structura și aspectul cristalelor de fullerenă fullerită C60 Supraconductibilitatea în cristale organice este cunoscută din 1979 (Bechgaard, 1979).
16. Cum pot salva sau distruge materialele La temperaturi scăzute, staniul trece printr-o tranziție de fază - „ciuma staniului”. 1812 - conform legendei, expediția lui Napoleon în Rusia a murit din cauza nasturii de tablă de pe uniformele sale! 1912 - moartea expediției căpitanului R.F. Scott la Polul Sud, care a fost atribuit „ciumei de staniu”. Tranziție de ordinul întâi la 13 0C Staniu alb: 7,37 g/cm3 Staniu gri: 5,77 g/cm3
17. Aliaje cu memorie de formă 1 2 3 4 1- înainte de deformare 3- după încălzire (20°C) (50°C) 2- după deformare 4- după răcire (20°C) (20°C) Exemplu: NiTi ( nitinol ) Aplicații: Shunturi, aparate dentare, elemente ale conductelor de petrol și motoare de avioane
18. Miracole ale proprietăților optice Pleocroism (cordierit) - descoperirea navigației din America și US Air Force Birefringența luminii (calcit) Efectul alexandrit (crisoberil) Cupă Lycurgus (sticlă cu nanoparticule)
19. Despre natura culorii Lungimea de undă, Å Culoare Culoare complementară 4100 Violet Galben Lămâie 4300 Galben Indigo 4800 Albastru Portocaliu 5000 Albastru Verde Roșu 5300 Verde Magenta 5600 Galben Lămâie Violet 5800 Galben Indigo 6100 Portocaliu Albastru Verde 6800 Roșu Albastru Verde 6800
20. Culoarea depinde de direcție (pleocroism). Exemplu: cordierit (Mg,Fe)2Al4Si5O18.
21. 2. Predicția structurilor cristaline Oganov A.R., Lyakhov A.O., Valle M. (2011). Cum funcționează predicția evolutivă a structurii cristaline - și de ce. conform Chim. Res. 44, 227-237.
22. J. Maddox (Nature, 1988) Sarcina este de a găsi minimul GLOBAL al energiei Timpului Variantelor Natom. 1 1 1 sec. Este imposibil de enumerat toate structurile: 10 1011 103 ani. 20 1025 1017 ani. 30 1039 1031 ani. Prezentare generală a metodei USPEX (ARO & Glass, J.Chem.Phys. 2006)
23. Cum să folosiți evoluția cangurului pentru a găsi Muntele Everest? (poza de R. Clegg) Debarcăm trupe de canguri și le lăsăm să se înmulțească (nu este afișată din motive de cenzură).....
24. Cum să folosiți evoluția cangurului pentru a găsi Muntele Everest? (poza de R. Clegg) Aaaargh! Ouch ....și din când în când vin vânători și scot canguri la altitudini mai mici
25.
26. Calculele evolutive „se autoinvata” si concentreaza cautarea pe cele mai interesante regiuni ale spatiului
27. Calculele evolutive „se autoinvata” si concentreaza cautarea pe cele mai interesante regiuni ale spatiului
28. Calculele evolutive „se autoinvata” si concentreaza cautarea pe cele mai interesante regiuni ale spatiului
29. Calculele evolutive „se autoinvata” si concentreaza cautarea pe cele mai interesante regiuni ale spatiului
30. Metode alternative: Căutare aleatoare (Freeman & Catlow, 1992; van Eijck & Kroon, 2000; Pickard & Needs, 2006) Fără „învățare”, funcționează doar pentru sisteme simple (până la 10-12 atomi). Recoacere artificială (Pannetier). 1990; Schön & Jansen 1996) Metadinamică fără „învățare” (Martonak, Laio, Parrinello 2003) Căutare tabu în spațiu redus Minima salt (Gödecker 2004) Folosește istoricul de calcul și „autoînvățare”. Bush (1995), Woodley (1999) algoritmii genetici și evolutivi sunt o metodă ineficientă pentru cristale. Deaven & Ho (1995) este o metodă eficientă pentru nanoparticule.
31. USPEX(Universal Structure Predictor: Evolutionary Xtallography) (aleatorie) populație inițială Noua generație de structuri este produsă numai din cele mai bune structuri actuale (1) Moștenire (3) Coordonate (2) Mutație latice (4) Permutare
32. Tehnici suplimentare - parametrul de ordine „Amprenta” al structurii Nașterea ordinii din haos în procesul evolutiv [„DUMNEZEU = Generator de Diversitate” © S. Avetisyan] Ordinea locală - indică zonele defecte
33. Test: „Cine ar ghici că grafitul este alotropul stabil al carbonului la presiune obișnuită?” (Maddox, 1988) Structura sp2 tridimensională propusă de R. Hoffmann (1983) ca fază stabilă la 1 atm Structuri cu sp3 scăzut - hibridizare energetică ilustrează hibridizarea sp2 chimia carbonului hibridizarea sp (carbină)
Test: Fazele de înaltă presiune sunt de asemenea reproduse corect 100 GPa: diamant stabil 2000 GPa: fază bc8 stabilă + fază metastabilă găsită care explică Faza bc8 metastabilă a siliciului „grafit superhard” este cunoscută (Kasper, 1964) (Li, ARO, Ma, et al. ., PRL 2009)
35. Descoperiri realizate cu USPEX:
36. 3. Materiale de la calculator
37. Descoperirea de noi materiale: încă o încercare și o eroare experimentală „Nu am eșuat (zece mii), dar am descoperit doar 10.000 de moduri care nu au funcționat” (T.A. Edison)
38. Căutați cea mai densă substanță: sunt posibile modificările carbonului mai dense decât diamantul? Da Structura DiamondDiamond are cel mai mic volum atomic și cea mai mare incompresibilitate dintre toate noile structuri, elemente (și compuși). mai dens decât un diamant! (Zhu, ARO, et al., 2011)
39. Analogia formelor de carbon și silice (SiO2) face posibilă înțelegerea densității noilor forme de carbon Structuri noi, cu 1,1-3,2% mai dense decât diamantul, indici de refracție foarte mari (până la 2,8!) și dispersie luminoasă. diamant hP3 structură tP12 structură tI12 structură SiO2 cristobalit SiO2 cuarț SiO2 kitit înaltă presiune fază SiS2
40.
41. Cel mai dur oxid este TiO2? (Dubrovinsky și colab., Nature 410, 653-654 (2001)) Nishio-Hamane (2010) și Al-Khatatbeh (2009): modul de compresie ~300 GPa în loc de 431 GPa. Lyakhov & ARO (2011): Experimentele de presiune sunt foarte dificile! Duritate nu mai mare de 16 GPa! TiO2 este mai moale decât SiO2 de stishovit (33 GPa), B6O (45 GPa), Al2O3 de corindon (21 GPa).
42. Sunt posibile forme de carbon mai dure decât diamantul? Nu . Material Model Li Lyakhov Exp. Duritate, entalpie și colab. & ARO Structura GPa eV/atom (2009) (2011) Diamond 89.7 0.000 Diamond 91.2 89.7 90 Lonsdaleit 89.1 0.026 Grafit 57.4 0.17 0.14 C2/m 84.3 0.241 2 0.412 0.412 0.412 mmm 84,0 0,198 β-Si3N4 23,4 23,4 21 Cmcm 83,5 0,282SiO2 stishovit 31,8 30,8 33 P2/m 83,4 0,166 I212121 82,9 0,784 Fmmm 82,2 0,322 Cmcm 82,0 0,222 Cmcm 82,0 0,224. Toate cele mai dure sunt bazate pe structurile sp. -hibridarea calculul evolutiv
43. Compresia la rece a grafitului dă carbon M, nu diamant! M-carbon a fost propus în 2006. În 2010-2012. Au fost propuse zeci de structuri alternative (W-, R-, S-, Q-, X-, Y-, Z-carbon, etc.) M-carbonul este confirmat de cele mai recente experimente M-carbonul este cel mai ușor format din grafit grafit bct4-carbon graphite M - diamant grafit de carbon
44. M-carbon - o nouă formă de lonsdaleit de carbon diamantgrafit Diagrama teoretică de fază a carabinelor cu carbon M-carbonfullerenes
45. Substanță sub presiune în natură P.W. Bridgman 1946 laureat Nobel (fizică) 200x scară: 100 GPa = 1 Mbar =
Neptun are o sursă de căldură internă - dar de unde provine CH4? Uranus și Neptun: H2O:CH4:NH3 = 59:33:8. Neptun are o sursă de energie internă (Hubbard'99). Ross'81 (și Benedetti'99): CH4=C(diamant) + 2H2. Caderea diamantului este principala sursă de căldură pe Neptun? Teoria (Ancilotto’97; Gao’2010) confirmă acest lucru. metan hidrocarburi diamant
47. Borul este situat între metale și nemetale și structurile sale unice sunt sensibile la impuritățile B, temperatură și presiune alfa-B beta-B T-192
48. Istoria descoperirii și cercetării borului este plină de contradicții și cotituri detective B 1808: J.L.Gay-Lussac și H. Davy anunță descoperirea unui nou element - borul.J.L. Gay-Lussac H. Davy 1895: H. Moissan a dovedit că substanțele pe care le-au descoperit nu conțineau mai mult de 50-60% bor. Totuși, materialul Moissan s-a dovedit a fi un compus cu un conținut de bor mai mic de 90%. H. Moissan 1858: F. Wöhler a descris 3 modificări ale borului - „diamant-”, „grafit-” și „asemănător cărbunelui”. Toți trei s-au dovedit a fi compuși (de exemplu, AlB12 și B48C2Al). 2007: ~16 modificări ale cristalelor au fost publicate (majoritatea sunt compuși?). Nu se știe care formă este cea mai stabilă. F. Wöhler
49. Sub presiune, borul formează o structură parțial ionică! B 2004: Chen și Solozhenko: au sintetizat o nouă modificare a borului, dar nu au putut rezolva structura acestuia. 2006: Oganov: a determinat structura, a demonstrat stabilitatea acesteia. 2008: Solozhenko, Kurakevich, Oganov - această fază este una dintre cele mai dure substanțe cunoscute (duritate 50 GPa). Difracție cu raze X. Sus - teorie, Jos - experiment Structura gamma-borului: (B2)δ+(B12)δ-, δ=+0,5 (ARO et al., Nature 2009) Distribuția celor mai (stânga) și puțin (dreapta) electroni stabili.
50. Prima diagramă de fază a borului - după 200 de ani de cercetare! Diagrama de fază a borului (ARO și colab., Nature 2009)
51. Sodiul este un metal perfect descris de modelul cu electroni liberi
52. Sub presiune, sodiul își schimbă esența – „transformare alchimică” Na 1807: Sodiu descoperit de Humphrey Davy. 2002: Hanfland, Syassen, et al. - primul indiciu al chimiei extrem de complexe H. Presiune de sodiu Davy peste 1 Mbar. Gregoryants (2008) pentru date mai detaliate. Sub presiune, sodiul devine parțial un d-metal!
53. Am prezis o nouă structură, care este un nemetal transparent! Sodiul devine transparent la o presiune de ~2 Mbar (Ma, Eremets, ARO et al., Nature 2009) Electronii sunt localizați în „spațiul gol” al structurii, ceea ce face ca sodiul comprimat să fie un nemetal.
Studiul mineralelor este nu numai o plăcere estetică, ci și o direcție științifică de importanță practic și fundamental Efectul scăderii punctului de topire de către impurități Aliajul lemnului - se topește la 70 C. Aliaj Bi-Pb-Sn-Cd-In-Tl - la 41,5 C!
64. Și care este compoziția nucleului interior al Pământului? Miezul este ceva mai puțin dens decât fierul pur. În miezul Fe într-un aliaj cu elemente ușoare precum S, Si, O, C, H. Sunt prevăzuți noi compuși (FeH4!) în sistemele Fe-C și Fe-H. Carbonul poate fi conținut în nucleu în cantități mari [Bazhanova, Oganov, Dzhanola, UFN 2012]. Procentul de carbon din miezul interior necesar pentru a explica densitatea acestuia
65. Natura stratului D” (2700-2890 km) a rămas un mister pentru o lungă perioadă de timp D” – rădăcina fluxurilor de manta fierbinte MgSiO3 este de așteptat să fie de ~75 vol.% Ciudația stratului D”: discontinuitate seismică, anizotropie Amintiți-vă de anizotropia culorii cordieritei!
66. Răspunsul constă în existența unui nou mineral, MgSiO3 post-perovskit în stratul D“ (2700-2890 km) Perovskitul pe măsură ce Pământul se răcește D“ absent din Mercur și Marte Noua familie de minerale prezisă Confirmare – Tschauner (2008)
67. Structura materiei este cheia înțelegerii lumii 4. Înțelegerea interiorului planetar se adâncește 3. Calculatorul învață să prezică noi materiale 2. Este deja posibil să preziceți structurile cristaline1. Structura definește proprietățile
68. Mulțumiri: Studenții mei, studenții absolvenți și postdoctorii: A. Lyakhov Y. Ma S.E. Boulfelfel C.W. Glass Q. Zhu Y. Xie Colegi din alte laboratoare: F. Zhang (Perth, Australia) C. Gatti (U. Milano, Italia) G. Gao (Universitatea Jilin, China) A. Bergara (U. Țara Bascilor, Spania) I. Errea (U. Țara Bascilor, Spania) M. Martinez-Canales (UCL, U.K.) C. Hu (Guilin, China) M. Salvado & P.Pertierra (Oviedo, Spania) V.L. Solozhenko (Paris) D.Yu. Pușcharovski, V.V. Utilizatori ai programului USPEX Brazhkin (Moscova) (>1000 de persoane) - http://han.ess.sunysb.edu/~USPEX

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

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

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

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

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

Explicația USPEX

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

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

Figura 3. Artem Romaevici Oganov

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

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

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

Domenii de activitate ale laboratorului: de la termoelectrice la medicamente

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

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

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

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

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

Figura 4. Valery Roizen - unul dintre autorii unui brevet pentru un medicament pentru scleroza multiplă, un angajat al Laboratorului de proiectare computerizată a materialelor, care dezvoltă noi forme de dozare de medicamente și este implicat activ în popularizarea științei.

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

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

Descoperirea de noi structuri chimice

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

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

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

Nouă chimie de înaltă presiune

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

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

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

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

Figura 9. Acidul carbonic (H 2 CO 3) este o structură stabilă la presiune. Inserat deasupra arătat că de-a lungul axa C se formează structuri polimerice. Studiul sistemului carbon-oxigen-hidrogen la presiuni mari este foarte important pentru înțelegerea modului în care sunt aranjate planetele. H 2 O (apă) și CH 4 (metan) sunt constituenții principali ai unor planete gigantice - de exemplu Neptun și Uranus, unde presiunea poate ajunge la sute de GPa. Sateliții mari de gheață (Ganymede, Callisto, Titan) și cometele conțin și apă, metan și dioxid de carbon, care sunt supuse unei presiuni de până la câțiva GPa.

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

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

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

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

Un alt exemplu de chimie neobișnuită care poate fi dată se referă la binecunoscuta sare de masă, NaCl. Se pare că, dacă vă puteți presuriza agitatorul de sare la 350 GPa, veți obține noi compuși. În 2013, sub conducerea A.R. Oganov, s-a arătat că, dacă se aplică o presiune mare asupra NaCl, atunci compușii neobișnuiți devin stabili - de exemplu, NaCl 7 (Fig. 10) și Na 3Cl. Interesant este că multe dintre substanțele descoperite sunt metale. Gabriele Saleh și Artem Oganov au continuat munca de pionierat în care au arătat comportamentul exotic al clorurilor de sodiu la presiune ridicată și au dezvoltat un model teoretic care poate fi folosit pentru a prezice proprietățile compușilor metalelor alcaline cu halogeni.

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

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

Chimia are nevoie de reguli noi

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

Figura 11. Gabriele Saleh

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

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

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

Dacă experimentezi, atunci selectiv

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

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

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

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

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

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

Figura 14. Fotografii ale unei probe de Na luate cu o combinație de iluminare transmisă și reflectată. S-au aplicat diferite presiuni pe eșantion: 199 GPa (fază transparentă), 156 GPa, 124 GPa și 120 GPa.

Trebuie să lucrezi cu focul!

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

„În primul rând, trebuie să aibă o educație bună. În al doilea rând, fii harnic. Dacă o persoană este leneșă, atunci nu o voi angaja, iar dacă o angajez dintr-o dată din greșeală, va fi dat afară. Pur și simplu am concediat mai mulți angajați care s-au dovedit a fi leneși, inerți, amorfi. Și cred că acest lucru este absolut corect și bun chiar și pentru persoana însuși. Pentru că dacă o persoană nu este în locul lui, nu va fi fericit. Trebuie să meargă acolo unde va lucra cu sclipire, cu entuziasm, cu plăcere. Și acest lucru este bun pentru laborator și bun pentru persoană. Și băieții ăia care chiar muncesc frumos, cu sclipire, plătim salarii bune, merg la conferințe, scriu articole care apoi sunt publicate în cele mai bune reviste mondiale, totul va fi bine cu ei. Pentru că sunt la locul potrivit și pentru că laboratorul are resurse bune pentru a le susține. Adică, băieții nu trebuie să se gândească la câștigarea banilor pentru a supraviețui. Se pot concentra asupra științei, asupra afacerii lor preferate și să o facă cu succes. Acum avem niște granturi noi, iar acest lucru ne deschide posibilitatea de a mai angaja câțiva oameni. Există concurență tot timpul. Oamenii aplică pe tot parcursul anului, dar, desigur, nu le accept pe toate.”. (2016). Hidrat cristalin de 4-aminopiridină, metodă de preparare a acestuia, compoziție farmaceutică și metodă de tratament și/sau prevenire pe baza acestuia. Fiz. Chim. Chim. Fiz. 18 , 2840–2849;

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

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

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

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

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

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

Tehnologia de predicție

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

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

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

„În această abordare, nu încercăm să încercăm întregul număr infinit de structuri cristaline. O vom încerca pas cu pas, începând cu un mic eșantion aleator, în cadrul căruia ierarhăm posibilele soluții, dintre care cele mai proaste le aruncăm. Și din cele mai bune producem variante pentru copii. Variantele fiice sunt produse prin diferite mutații sau prin recombinare - prin ereditate, unde din doi părinți combinăm diferite caracteristici structurale ale compoziției. Din aceasta, se obține o structură copil - un material copil, o compoziție chimică copil, o structură copil. Acești compuși copii sunt apoi evaluați. De exemplu, prin stabilitate sau prin proprietatea chimică sau fizică care vă interesează. Și pe cei care au fost clasați nefavorabil, îi aruncăm. Cei care promit au dreptul de a procrea. Prin mutație sau ereditate producem următoarea generație.”

Deci, pas cu pas, oamenii de știință abordează materialul optim pentru ei în ceea ce privește o proprietate fizică dată. Abordarea evoluționistă în acest caz funcționează în același mod ca și teoria darwiniană a evoluției, acest principiu este realizat de Oganov și colegii săi pe un computer atunci când caută structuri cristaline care sunt optime în ceea ce privește o anumită proprietate sau stabilitate.

„De asemenea, pot spune (dar acest lucru este deja puțin în pragul huliganismului) că atunci când am realizat dezvoltarea acestei metode (apropo, dezvoltarea este în curs de desfășurare. S-a îmbunătățit din ce în ce mai mult), am experimentat cu diferite moduri de evolutie. De exemplu, am încercat să facem un copil nu din doi părinți, ci din trei sau patru. S-a dovedit că, la fel ca în viață, este optim să produci un copil din doi părinți. Un copil are doi părinți - tată și mamă. Nici trei, nici patru, nici douăzeci și patru. Acesta este optimul atât în natură, cât și pe computer.”

Oganov și-a brevetat metoda, iar acum este folosită de aproape mii de cercetători din întreaga lume și de câteva companii importante precum Intel, Toyota și Fujitsu. Toyota, de exemplu, a spus Oganov, folosește această metodă de ceva timp pentru a inventa un nou material pentru bateriile cu litiu care să fie utilizate în mașinile hibride.

Problema cu diamantul

Se crede că diamantul, fiind cel mai dur deținător de record, este materialul superhard optim pentru toate aplicațiile. Cu toate acestea, nu este așa, deoarece în fier, de exemplu, se dizolvă, dar într-un mediu cu oxigen arde la o temperatură ridicată. În general, căutarea unui material care să fie mai greu decât diamantul a îngrijorat omenirea timp de multe decenii.

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

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

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

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

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

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

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

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

Textul prelegerii

Sunt foarte recunoscător organizatorilor acestui festival și Polit.ru pentru invitație. Este o mare onoare pentru mine să susțin această prelegere; Sper că va fi de interes pentru tine.

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

Prelegerea se numește: „Proiectare computerizată de materiale noi: vis sau realitate?”. Dacă ar fi doar un vis, atunci prelegerea nu ar avea niciun sens. Visele sunt ceva, de regulă, nu din domeniul realității. Pe de altă parte, dacă acest lucru s-ar fi realizat deja pe deplin, prelegerea nu ar avea nici un sens, deoarece un nou tip de metodologii, inclusiv cele teoretice computaționale, atunci când sunt deja pe deplin dezvoltate, trec de la categoria științei la categoria de sarcini industriale de rutină. De fapt, acest domeniu este complet nou: proiectarea computerizată a materialelor noi se află undeva la mijloc între un vis - ceva ce este imposibil, ceva la care visăm în voie - și realitate, nu este încă complet finalizată, este este un domeniu care se dezvoltă chiar acum. Și această zonă va permite în viitorul apropiat să se retragă de la metoda tradițională de descoperire a materialelor noi, de laborator și să înceapă proiectarea asistată de computer a materialelor, care ar fi atât mai ieftine, cât și mai rapide și, în multe privințe, chiar mai fiabile. Și iată cum se face, vă spun eu. Aceasta este direct legată de problema predicției, predicția structurii unei substanțe, deoarece structura unei substanțe determină proprietățile acesteia. Structura diferită a aceleiași substanțe, să zicem, carbonul, definește diamantul superhard și grafitul supersoft. Structura în acest caz este totul. Structura materiei.

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

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

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

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

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

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

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

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

Deci, cunoaștem diferitele stări ale materiei: cristalină și cvasicristalină ordonată, amorfă (în stare solidă dezordonată), precum și în stare lichidă, gazoasă și diverse stări polimerice ale materiei. Cunoscând structura materiei, puteți prezice multe, multe dintre proprietățile sale și cu un grad ridicat de fiabilitate. Iată structura silicatului de magneziu, un tip de perovskit. Cunoscând pozițiile aproximative ale atomilor, puteți prezice, de exemplu, o proprietate destul de dificilă precum constantele elastice - această proprietate este descrisă de un tensor de rang 4 cu multe componente și puteți prezice această proprietate complexă cu acuratețe experimentală, cunoscând numai pozitia atomilor. Și substanța este destul de importantă, reprezintă 40% din volumul planetei noastre. Este cel mai comun material de pe pământ. Și pentru a înțelege proprietățile acestei substanțe, care există la adâncimi mari, este posibil, cunoscând doar aranjamentul atomilor.

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

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

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

Aparent, primii împărați ai Chinei, Qin Shi Huangdi și Ivan cel Groaznic, au fost victime ale otrăvirii cu mercur, iar așa-numita boală a pălărierului nebun a fost foarte bine studiată, în secolele 18-19 în Anglia o întreagă clasă de oameni lucrând. în industria pălăriilor s-a îmbolnăvit foarte devreme de o boală neurologică ciudată numită boala pălărierului nebun. Discursul lor a devenit incoerent, acțiunile lor lipsite de sens, membrele le tremurau incontrolabil și au căzut în demență și nebunie. Corpul lor era în contact permanent cu mercurul, deoarece înmuiau aceste pălării în soluții de săruri de mercur, care pătrundeau în corpul lor și afectau sistemul nervos. Ivan cel Groaznic a fost un țar foarte progresist, bun, sub 30 de ani, după care s-a schimbat peste noapte - și a devenit un tiran nebun. Când corpul său a fost exhumat, s-a dovedit că oasele sale erau puternic deformate și conțineau o concentrație uriașă de mercur. Faptul este că țarul suferea de o formă severă de artrită, iar la acea vreme artrita era tratată prin frecarea unguente cu mercur - acesta era singurul remediu și poate doar mercurul explică nebunia ciudată a lui Ivan cel Groaznic. Qin Shi Huang, omul care a creat China în forma ei actuală, a domnit timp de 36 de ani, iar în primii 12 ani a fost o păpușă în mâinile mamei sale, regentei, povestea lui este asemănătoare cu povestea lui Hamlet. Mama și iubita lui și-au ucis tatăl și apoi au încercat să scape și de el, o poveste îngrozitoare. Dar, maturizat, a început să se conducă singur - și în 12 ani a oprit războiul intestine dintre cele 7 regate ale Chinei, care a durat 400 de ani, a unit China, a unit greutăți, bani, a unificat scrierea chineză, a construit Marele Zid. din China, a construit 6 5.000 de kilometri de autostrăzi care sunt încă în folosință, canale care sunt încă în uz și totul a fost făcut de un singur om, dar în ultimii ani a suferit o formă ciudată de nebunie maniacale. Alchimiștii săi, pentru a-l face nemuritor, i-au dat pastile de mercur, ei credeau că asta îl va face nemuritor, drept urmare, acest om, aparent distins printr-o sănătate remarcabilă, a murit înainte de a împlini 50 de ani, iar ultimii ani ai acestui viața scurtă a fost înnebunită de nebunie. Otrăvirea cu plumb s-ar putea să fi făcut din mulți împărați romani victime: la Roma a existat o instalație sanitară cu plumb, un apeduct și se știe că, odată cu otrăvirea cu plumb, anumite părți ale creierului se micșorează, poți vedea asta chiar și pe imaginile tomografice, scăderile de inteligență, IQ-ul scade, o persoană devine foarte agresivă. Otrăvirea cu plumb este încă o problemă mare pentru multe orașe și țări. Pentru a scăpa de acest tip de consecințe nedorite, trebuie să dezvoltăm noi materiale pentru a curăța mediul.

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

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

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

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

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

Întrebare de la sol: Ai spus - la viteze diferite?

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

Întrebare de la sol: Pare alb, dar...

Artem Oganov: De la ceva ușor, cum ar fi alb, până la violet, doar rotiți cristalul. De fapt, există o legendă islandeză despre modul în care vikingii au descoperit America. Și mulți istorici văd această legendă ca o indicație a utilizării acestui efect. Când vikingii s-au rătăcit în mijlocul Oceanului Atlantic, regele lor a scos o anumită piatră a soarelui, iar în lumina crepusculară a reușit să determine direcția spre vest și astfel au navigat spre America. Nimeni nu știe ce este o piatră a soarelui, dar mulți istorici cred că o piatră a soarelui este ceea ce Vika ține în mâini, cordierita, apropo, cordierita se găsește în largul coastei Norvegiei și, cu ajutorul acestui cristal, poți naviga cu adevărat. în amurg, în lumina serii, precum și în latitudinile polare. Iar acest efect a fost folosit de US Air Force până în anii 50, când a fost înlocuit cu metode mai avansate. Și iată un alt efect interesant - alexandrit, dacă are cineva vreo dorință, am adus un cristal de alexandrit sintetic, iar culoarea acestuia se schimbă în funcție de sursa de lumină: la lumina zilei și electric. Și, în sfârșit, există un alt efect interesant pe care oamenii de știință și criticii de artă nu l-au putut înțelege timp de multe secole. Cupa Lycurgus este un obiect care a fost realizat de artizani romani acum peste 2.000 de ani. În lumina împrăștiată, această cupă este verde, iar în lumina transmisă, este roșie. Și am reușit să înțeleg asta acum câțiva ani. S-a dovedit că bolul nu este făcut din sticlă pură, ci conține nanoparticule de aur, care creează acest efect. Acum înțelegem natura culorii - culoarea este asociată cu anumite intervale de absorbție, cu structura electronică a materiei, iar aceasta, la rândul său, este asociată cu structura atomică a materiei.

Întrebare de la sol: Conceptele de „reflectat” și „trecere” pot fi explicate?

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

Ce este lumina alba? Acesta este întregul spectru de la roșu la violet și, pe măsură ce lumina trece prin cristal, o parte din acest interval este absorbită. De exemplu, un cristal poate absorbi culoarea albastră și puteți vedea care va fi rezultatul din acest tabel. Dacă absorbiți razele albastre, atunci ieșirea va fi portocalie, adică atunci când vedeți ceva portocaliu, știți că această substanță absoarbe în intervalul albastru. Lumina difuză este atunci când aveți aceeași ceașcă Lycurgus pe masă, lumina cade și o parte din această lumină este împrăștiată și intră în ochii tăi. Răspândirea luminii se supune unor legi complet diferite și, în special, depinde de granularea obiectului. Din cauza împrăștierii luminii, cerul este albastru. Există o lege de împrăștiere Rayleigh care poate fi folosită pentru a explica aceste culori.

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

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

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

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

S-au făcut multe noi și colegii noștri cu ajutorul acestei metode, iată o mică selecție de descoperiri diferite. Lasă-mă să vorbesc despre unele dintre ele.

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

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

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

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

Răspuns din partea publicului: Toată lumea are dreptate.

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

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

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

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

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

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

Se toarnă apă clocotită și voi ține aliajul de lemn și vei vedea cum picăturile de aliaj de lemn vor cădea în sticlă.

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

Și acest efect are loc în miezul Pământului, datorită acestui fapt, punctul de topire al aliajului feros scade. Dar acum următoarea întrebare este: din ce constă nucleul? Știm că există mult fier și ceva elemente ușoare-impurități, avem 5 candidați. Am început cu cei mai puțin probabili candidați, carbon și hidrogen. Trebuie să spun că până de curând, puțini oameni au acordat atenție acestor candidați, ambii fiind considerați improbabili. Am decis să verificăm. Împreună cu un angajat al Universității de Stat din Moscova Zulfiya Bazhanova, am decis să ne asumăm această sarcină, să prezicăm structurile stabile și compozițiile stabile ale carburilor și hidrurilor de fier în condițiile nucleului Pământului. Am făcut acest lucru și pentru siliciu, unde nu am găsit surprize speciale - și pentru carbon, s-a dovedit că acei compuși care au fost considerați stabili timp de multe decenii, de fapt, se dovedesc a fi instabili la presiunile nucleului Pământului. Și se dovedește că carbonul este un candidat foarte bun, de fapt, carbonul singur poate explica perfect multe proprietăți ale nucleului interior al Pământului, spre deosebire de lucrările anterioare. Hidrogenul, pe de altă parte, s-a dovedit a fi un candidat destul de slab; nici o proprietate a miezului Pământului nu poate fi explicată doar prin hidrogen. Hidrogenul poate fi prezent în cantități mici, dar nu poate fi principalul element de impuritate din miezul Pământului. Pentru hidrurile de hidrogen sub presiune, am găsit o surpriză - s-a dovedit că există un compus stabil cu o formulă care contrazice chimia școlară. Un chimist normal va scrie formulele hidrururilor de hidrogen ca FeH 2 și FeH 3 , în general, FeH apare și sub presiune și au suportat-o - dar faptul că FeH 4 se poate forma sub presiune a fost o adevărată surpriză. Dacă copiii noștri de la școală notează formula FeH 4, garantez că vor obține A la Chimie, cel mai probabil chiar într-un sfert. Dar se dovedește că sub presiune, regulile chimiei sunt încălcate - și apar astfel de compuși exotici. Dar, așa cum am spus, este puțin probabil ca hidrurile de fier să fie importante pentru interiorul Pământului, este puțin probabil ca hidrogenul să fie prezent acolo în cantități semnificative, dar cel mai probabil carbonul este prezent.

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

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

Răspuns din partea publicului: Datorită algoritmului genetic.

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

Răspuns din partea publicului: Deci acest algoritm genetic are 100 de ani, pur și simplu nu au făcut nimic acolo.

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

Răspuns din partea publicului: Ce matematică? Este genetica.

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

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

Discuție prelegere

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

Întrebare de la sol: Spune-mi, te rog, cum să asigurăm temperatura camerei la o presiune atât de mare? Orice sistem de deformare plastică este însoțit de degajare de căldură. Din păcate, nu ai spus asta.

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

Întrebare de la sol:Și configurația dvs. vă permite să faceți asta?

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

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

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

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

- Da sigur. De exemplu, de multe decenii oamenii au încercat să vină cu un material mai dur decât diamantul. Au existat sute de publicații pe acest subiect. În unele dintre ele, oamenii au susținut că au găsit un material mai dur decât diamantul, dar apoi, în mod inevitabil, după ceva timp (de obicei, nu foarte mult), aceste afirmații au fost respinse și s-a dovedit că aceasta a fost o iluzie. Până acum, nu a fost găsit un astfel de material și este destul de clar de ce. Cu ajutorul metodelor noastre, am putut arăta că acest lucru este fundamental imposibil, deci nu există timp de pierdut.

- Și dacă încerci să explici de ce nu?

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

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

- Marele Edison a spus, după părerea mea, în legătură cu invenția sa a becului incandescent: „Nu am dat greș de zece mii de ori, ci am găsit doar zece mii de moduri care nu funcționează”. Acesta este stilul tradițional de căutare a materialelor noi, care se numește Edisonian în literatura științifică. Și, bineînțeles, oamenii și-au dorit întotdeauna să se îndepărteze de această metodă, deoarece necesită un noroc edisonian rar și răbdare edisoniană. Și mult timp, precum și bani. Această metodă nu este foarte științifică, este mai degrabă un „poke” științific. Și oamenii și-au dorit întotdeauna să scape de asta. Când au apărut computerele și au început să rezolve probleme mai mult sau mai puțin complexe, imediat a apărut întrebarea: „Toate aceste combinații de diferite condiții, temperaturi, presiuni, potențiale chimice, compoziție chimică pot fi sortate pe un computer în loc să le facă într-un laborator? ?” Așteptările au fost foarte mari la început. Oamenii l-au privit puțin optimiști și euforici, dar în curând toate aceste vise au fost spulberate în viața de zi cu zi. Prin metodele prin care oamenii au încercat să rezolve problema, în principiu, nimic nu se poate realiza.

- De ce?

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

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

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

- În general, este doar o problemă de pregătire a tehnologiei pentru a face acest lucru.

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

Ce înseamnă „previzibil”?

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

- Chiar și așa?

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

- "Cine suntem noi?

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

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

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

- Aș dori să înțeleg cum inventați, inventați materiale noi pe un exemplu concret.

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

- În același timp, momentele în care respingem, comparăm, conectăm și schimbăm structura, facem inteligență artificială, facem programul? Nu un om?

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

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

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

- Ce fel de?

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

- Dă un exemplu.

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

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

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

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

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

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