— Przyjrzyjmy się komputerowemu projektowaniu nowych materiałów. Po pierwsze, co to jest? Obszar wiedzy? Kiedy pojawia się pomysł i takie podejście?
— To obszar całkiem nowy, ma zaledwie kilka lat. Samo komputerowe projektowanie nowych materiałów było marzeniem badaczy, technologów i fundamentalistów od wielu dziesięcioleci. Ponieważ proces odkrywania nowego materiału o potrzebnych właściwościach to zwykle wiele lat, a nawet dziesięcioleci pracy całych instytutów i laboratoriów. Jest to bardzo kosztowny proces i na końcu możesz być rozczarowany. Oznacza to, że nie zawsze jesteś w stanie wymyślić taki materiał. Ale nawet jeśli odniesiesz sukces, sukces może wymagać lat pracy. To nam teraz zupełnie nie odpowiada, chcemy jak najszybciej wymyślić nowe materiały, nowe technologie.
— Czy możesz podać przykład materiału, którego nie można lub nie można wynaleźć?
- Tak, oczywiście. Na przykład od wielu dziesięcioleci ludzie próbują wynaleźć materiał twardszy od diamentu. Powstały setki publikacji na ten temat. W niektórych z nich ludzie twierdzili, że odnaleziono materiał twardszy od diamentu, ale potem nieuchronnie po pewnym czasie (zwykle niezbyt dużym) twierdzenia te zostały obalone i okazało się, że to złudzenie. Jak dotąd nie znaleziono takiego materiału i jest całkowicie jasne, dlaczego. Za pomocą naszych metod udało nam się wykazać, że jest to zasadniczo niemożliwe, więc nie ma sensu nawet tracić czasu.
- A jeśli spróbujesz po prostu wyjaśnić, dlaczego nie?
— Właściwość taka jak twardość ma skończoną granicę dla dowolnego materiału. Jeśli weźmiemy wszystkie materiały, które możemy zabrać, okaże się, że istnieje jakiś globalny górny limit. Tak się składa, że ta górna granica odpowiada diamentowi. Dlaczego diament? Ponieważ w tej strukturze jednocześnie spełnia kilka warunków: bardzo silne wiązania chemiczne, bardzo duża gęstość tych wiązań chemicznych i są one równomiernie rozmieszczone w przestrzeni. Nie ma jednego kierunku, który byłby znacznie trudniejszy od drugiego, jest to we wszystkich kierunkach bardzo twarda substancja. Ten sam grafit na przykład ma mocniejsze wiązania niż diament, ale wszystkie te wiązania znajdują się w tej samej płaszczyźnie, a bardzo słabe wiązania oddziałują pomiędzy płaszczyznami i ten słaby kierunek powoduje, że cały kryształ jest miękki.
— Jak powstała metoda i jak naukowcy próbowali ją udoskonalić?
- Wielki Edison powiedział moim zdaniem w związku ze swoim wynalazkiem żarówki: „Nie zawiodłem dziesięć tysięcy razy, ale znalazłem tylko dziesięć tysięcy sposobów, które nie działają”. Jest to tradycyjny styl poszukiwania nowych materiałów, który w literaturze naukowej nazywany jest edisonowskim. I oczywiście ludzie zawsze chcieli odejść od tej metody, ponieważ wymaga ona rzadkiego edisonowskiego szczęścia i edisonowskiej cierpliwości. I dużo czasu, i pieniędzy. Metoda ta nie jest zbyt naukowa, to raczej naukowe „szturchnięcie”. A ludzie zawsze chcieli od tego odejść. Kiedy pojawiły się komputery i zaczęły rozwiązywać mniej lub bardziej złożone problemy, natychmiast pojawiło się pytanie: „Czy można uporządkować wszystkie te kombinacje różnych warunków, temperatur, ciśnień, potencjałów chemicznych, składu chemicznego na komputerze, zamiast robić to w komputerze? Laboratorium?" Początkowo nadzieje były bardzo duże. Ludzie patrzyli na to trochę optymistycznie i euforycznie, ale wkrótce wszystkie te marzenia zostały rozwiane przez codzienność. Metodami, którymi ludzie próbowali rozwiązać problem, w zasadzie nic nie można było osiągnąć.
- Dlaczego?
- Ponieważ możliwości różnych rozmieszczeń atomów w strukturze kryształu jest nieskończenie wiele, a każdy z nich będzie miał zupełnie inne właściwości. Na przykład diament i grafit to ta sama substancja, ale ze względu na różną strukturę ich właściwości są diametralnie różne. Może zatem istnieć nieskończona liczba różnych opcji różniących się zarówno od diamentu, jak i grafitu. Gdzie zaczynasz? Gdzie się zatrzymasz? Jak długo to potrwa? A jeśli wprowadzisz także zmienną dotyczącą składu chemicznego, możesz również wymyślić nieskończoną liczbę różnych składów chemicznych, a zadanie stanie się nieznośnie trudne. Bardzo szybko ludzie zdali sobie sprawę, że tradycyjne, standardowe metody rozwiązania tego problemu nie prowadzą do niczego. Ten pesymizm całkowicie pogrzebał pierwsze nadzieje, jakie ludzie żywili od lat 60. XX wieku.
— Projektowanie komputerów nadal uważa się lub przynajmniej odczuwa się jako kwestię wizualną. Jak rozumiem, w latach 60., 70. czy 80. ta decyzja nie była wizualna, ale matematyczna, czyli była to szybsza kalkulacja, kalkulacja.
— Jak rozumiesz, kiedy dostajesz liczby na komputerze, zawsze możesz je zwizualizować, ale to nie wszystko.
— Generalnie jest to tylko kwestia gotowości technologii do tego.
- Tak. Liczenie numeryczne jest sprawą podstawową, ponieważ z liczb zawsze można zrobić obraz, a z obrazu prawdopodobnie też liczby, choć niezbyt dokładne. Od połowy lat 80. do połowy lat 90. ukazało się wiele znanych publikacji, które ostatecznie zaszczepiły w naszej branży pesymizm. Była na przykład wspaniała publikacja, w której stwierdzono, że nawet tak prostych substancji, jak grafit czy lód, absolutnie nie da się przewidzieć. Albo był artykuł zatytułowany „Czy struktury krystaliczne są przewidywalne” i pierwszym słowem tego artykułu było „nie”.
— Co oznacza „przewidywalny”?
— Zadanie przewidywania struktury kryształu jest rdzeniem całej dziedziny projektowania nowych materiałów. Ponieważ struktura określa właściwości substancji, aby przewidzieć substancję o pożądanych właściwościach, konieczne jest przewidzenie składu i struktury. Problem przewidywania struktury kryształu można sformułować następująco: załóżmy, że określiliśmy skład chemiczny, załóżmy, że jest on stały, np. węgiel. Jaka będzie najbardziej stabilna forma węgla w danych warunkach? W normalnych warunkach znamy odpowiedź – będzie to grafit; przy wysokich ciśnieniach również znamy odpowiedź - to diament. Jednak stworzenie algorytmu, który mógłby to zapewnić, okazuje się bardzo trudnym zadaniem. Możesz też sformułować problem w inny sposób. Na przykład dla tego samego węgla: jaka byłaby najtwardsza struktura odpowiadająca temu składowi chemicznemu? Okazuje się, że jest to diament. Zadajmy teraz kolejne pytanie: co będzie najgęstsze? Wydaje się, że to także diament, ale tak nie jest. Okazuje się, że można wynaleźć, przynajmniej na komputerze, formę węgla gęstszą od diamentu i w zasadzie można ją zsyntetyzować. Co więcej, istnieje wiele takich hipotetycznych form.
- Nawet jeśli?
- Nawet jeśli. Ale nie ma nic twardszego niż diament. Ludzie dopiero niedawno nauczyli się odpowiadać na tego typu pytania. Niedawno pojawiły się algorytmy, pojawiły się programy, które mogą to zrobić. W tym przypadku faktycznie cały ten obszar badań okazał się powiązany z naszą pracą w 2006 roku. Następnie wielu innych badaczy również zaczęło badać ten problem. Ogólnie rzecz biorąc, nadal nie brakuje nam dłoni i wymyślamy coraz to nowe metody, nowe i nowe materiały.
- "Kim jesteśmy?
— To ja, moi studenci, doktoranci i asystenci naukowi.
— Żeby było jasne, ponieważ „my” jest tak wieloznaczne, w tym przypadku wieloznaczne, że można je postrzegać na różne sposoby. Co jest takiego rewolucyjnego?
„Faktem jest, że ludzie zdali sobie sprawę, że problem ten jest powiązany z nieskończenie złożonym problemem kombinatorycznym, to znaczy liczba opcji, spośród których należy wybrać najlepszą, jest nieskończona. Jak można rozwiązać ten problem? Nie ma mowy. Po prostu nie można do niej podejść i czuć się komfortowo. Znaleźliśmy jednak sposób na całkiem skuteczne rozwiązanie tego problemu – metodę opartą na ewolucji. Jest to, można powiedzieć, metoda kolejnych przybliżeń, gdy od rozwiązań początkowo słabych, poprzez metodę sukcesywnego doskonalenia, dochodzimy do rozwiązań coraz doskonalszych. Można powiedzieć, że jest to metoda sztucznej inteligencji. Sztuczna inteligencja, która przyjmuje szereg założeń, część z nich odrzuca, a z najbardziej prawdopodobnych, najciekawszych struktur i kompozycji konstruuje jeszcze ciekawsze. Oznacza to, że uczy się na własnej historii, dlatego można ją nazwać sztuczną inteligencją.
— Chciałbym zrozumieć, jak wymyślasz, wymyślasz nowe materiały na konkretnym przykładzie.
– Spróbujmy to opisać na przykładzie węgla. Chcesz przewidzieć, która forma węgla jest najtwardsza. Określono niewielką liczbę przypadkowych struktur węglowych. Niektóre struktury będą składać się z odrębnych cząsteczek, takich jak fulereny; niektóre konstrukcje będą składać się z warstw, np. grafit; niektóre będą składać się z łańcuchów węglowych, tzw. karabinków; niektóre będą połączone trójwymiarowo, jak diament (ale nie tylko diament, takich struktur jest nieskończenie wiele). Najpierw generujesz losowo tego rodzaju struktury, a następnie przeprowadzasz lokalną optymalizację, czyli to, co nazywamy „relaksacją”. Oznacza to, że przesuwasz atomy, aż wypadkowa siła działająca na atom wyniesie zero, aż znikną wszystkie naprężenia w strukturze, aż osiągnie ona idealną formę lub uzyska najlepszy lokalny kształt. I dla tej struktury obliczasz właściwości, takie jak twardość. Przyjrzyjmy się twardości fulerenów. Istnieją silne wiązania, ale tylko w obrębie cząsteczki. Same cząsteczki są ze sobą bardzo słabo połączone, dlatego twardość jest prawie zerowa. Spójrzcie na grafit - ta sama historia: mocne wiązania wewnątrz warstwy, słabe pomiędzy warstwami, w efekcie substancja bardzo łatwo się rozpada, jej twardość będzie bardzo niska. Substancje takie jak fulereny, karabinki czy grafit będą bardzo miękkie i od razu je odrzucimy. Pozostałe struktury węglowe są połączone trójwymiarowo, mają silne wiązania we wszystkich trzech wymiarach, spośród tych struktur wybieramy te najtwardsze i dajemy im możliwość wytworzenia struktur potomnych. Jak to wygląda? Bierzemy jedną konstrukcję, bierzemy drugą, wycinamy ich fragmenty, składamy w całość jak w zestawie konstrukcyjnym i ponownie relaksujemy, czyli dajemy szansę na ustąpienie wszelkich napięć. Istnieją mutacje - to kolejny sposób na spłodzenie potomstwa od rodziców. Bierzemy jedną z najtwardszych struktur i mutujemy ją, np. przykładamy ogromne naprężenie ścinające, tak że niektóre wiązania tam po prostu pękają, a inne powstają nowe. Lub przesuwamy atomy w najsłabszych kierunkach struktury, aby usunąć tę słabość z układu. Wszystkie powstałe w ten sposób konstrukcje odprężamy, czyli usuwamy naprężenia wewnętrzne, a następnie ponownie oceniamy właściwości. Zdarza się, że wzięliśmy twardą strukturę, zmutowaliśmy ją i stała się miękka, zamieniła się w, powiedzmy, grafit. Natychmiast usuwamy taką strukturę. A z tych trudnych znowu rodzimy „dzieci”. I tak powtarzamy krok po kroku, pokolenie za pokoleniem. I dość szybko dochodzimy do diamentu.
— Jednocześnie momenty, w których odrzucamy, porównujemy, łączymy i zmieniamy strukturę, wykonuje sztuczna inteligencja, program? Nie człowiek?
- Program to robi. Gdybyśmy tak zrobili, wylądowalibyśmy w Kaszczence, ponieważ jest to ogromna liczba operacji, których człowiek nie musi wykonywać i to ze względów całkowicie naukowych. Rozumiesz, człowiek się rodzi, chłonie doświadczenia z otaczającego go świata, a wraz z tym doświadczeniem pojawia się rodzaj uprzedzeń. Widzimy symetryczną strukturę – mówimy: „To jest dobre”; widzimy asymetryczność – mówimy: „To jest złe”. Ale w naturze czasami dzieje się odwrotnie. Nasza metoda musi być wolna od ludzkiej subiektywności i uprzedzeń.
— Czy dobrze rozumiem z tego, co opisałeś, że w zasadzie zadanie to formułuje nie tyle nauka podstawowa, ile rozwiązywanie bardzo konkretnych problemów stawianych przez jakąś regularną ponadnarodową firmę? Potrzebujemy więc nowego cementu, aby był bardziej lepki, gęstszy lub odwrotnie, bardziej płynny i tak dalej.
- Zupełnie nie. Tak naprawdę moje wykształcenie opierało się na naukach podstawowych; studiowałem nauki podstawowe, a nie stosowane. Obecnie interesuje mnie rozwiązywanie problemów stosowanych, zwłaszcza że wymyślona przeze mnie metodologia ma zastosowanie do najważniejszych problemów stosowanych o bardzo szerokim zakresie. Ale początkowo tę metodę wymyślono w celu rozwiązania podstawowych problemów.
- Jakiego rodzaju?
— Od dłuższego czasu studiuję fizykę i chemię wysokich ciśnień. Jest to obszar, w którym dokonano eksperymentalnie wielu ciekawych odkryć. Jednak eksperymenty są złożone i bardzo często wyniki eksperymentów okazują się z czasem nieprawidłowe. Eksperymenty są kosztowne i pracochłonne.
- Daj przykład.
— Na przykład przez długi czas toczył się wyścig między naukowcami radzieckimi i amerykańskimi: kto pierwszy uzyska metaliczny wodór pod ciśnieniem. Potem okazało się np., że wiele prostych pierwiastków pod ciśnieniem staje się (to taka alchemiczna przemiana) metalem przejściowym. Weźmy na przykład potas: potas ma tylko jeden s-elektron na swojej powłoce walencyjnej, więc pod ciśnieniem staje się pierwiastkiem d; Orbital s jest opróżniany, a niezajęty orbital d jest zajęty przez ten pojedynczy elektron. A to jest bardzo ważne, ponieważ potas, stając się metalem przejściowym, ma wtedy możliwość przedostania się na przykład do ciekłego żelaza. Dlaczego to jest ważne? Ponieważ obecnie wierzymy, że potas w małych ilościach wchodzi w skład jądra Ziemi i jest tam źródłem ciepła. Faktem jest, że jeden z izotopów potasu (radioaktywny potas-40) jest dziś jednym z głównych producentów ciepła na Ziemi. Jeśli potas nie przedostanie się do jądra Ziemi, wówczas musimy całkowicie zmienić nasze rozumienie wieku życia na Ziemi, wieku pola magnetycznego, historii jądra Ziemi i wielu innych interesujących rzeczy. Oto alchemiczna transformacja - elementy s stają się elementami d. Przy wysokich ciśnieniach, kiedy kompresujesz materię, energia wydana na kompresję prędzej czy później przekroczy energię wiązań chemicznych i energię przejść międzyorbitalnych w atomach. Dzięki temu możesz radykalnie zmienić strukturę elektronową atomu i rodzaj wiązania chemicznego w swojej substancji. Mogą pojawić się zupełnie nowe rodzaje substancji. A standardowa intuicja chemiczna w takich przypadkach nie działa, czyli zasady, których uczymy się w szkole na lekcjach chemii, idą do piekła, gdy ciśnienie osiągnie odpowiednio duże wartości. Mogę powiedzieć, jakie zjawiska zostały przewidziane przy użyciu naszej metody, a następnie udowodnione eksperymentalnie. Kiedy pojawiła się ta metoda, dla wszystkich był to szok. Jedna z najciekawszych prac dotyczyła pierwiastka sodu. Przewidywaliśmy, że jeśli sód zostanie sprężony do ciśnienia około 2 milionów atmosfer (swoją drogą ciśnienie w centrum Ziemi wynosi prawie 4 miliony atmosfer, a takie ciśnienia można uzyskać eksperymentalnie), nie będzie już metalem , ale dielektryk, ponadto kolory przezroczyste i czerwone. Kiedy formułowaliśmy tę przepowiednię, nikt nam nie wierzył. Czasopismo Nature, do którego wysłaliśmy te wyniki, nawet odmówiło rozważenia tego artykułu, twierdząc, że nie można w niego wierzyć. Skontaktowałem się z eksperymentatorami z grupy Michaiła Eremeta, którzy również powiedzieli mi, że nie można w to wierzyć, ale z szacunku i tak będą próbowali przeprowadzić taki eksperyment. I ten eksperyment całkowicie potwierdził nasze przewidywania. Przewidywano strukturę nowej fazy pierwiastka boru – najtwardszej struktury tego pierwiastka, jednej z najtwardszych substancji znanych ludzkości. I okazało się, że różne atomy boru mają różne ładunki elektryczne, to znaczy nagle stają się różne: niektóre są naładowane dodatnio, inne ujemnie. Artykuł ten był cytowany prawie 200 razy w ciągu zaledwie trzech lat.
— Powiedział pan, że to zadanie podstawowe. A może najpierw rozwiązujecie podstawowe problemy, a dopiero niedawno kwestie praktyczne? Historia sodu. Po co? Oznacza to, że siedziałeś i siedziałeś i zastanawiałeś się, co wziąć - może wezmę sód i skompresuję go do 2 milionów atmosfer?
- Na pewno nie w ten sposób. Otrzymałem grant na badanie zachowania pierwiastków pod wysokim ciśnieniem, aby lepiej zrozumieć chemię pierwiastków. Dane eksperymentalne dotyczące wysokiego ciśnienia są nadal bardzo fragmentaryczne, dlatego postanowiliśmy przeszukać mniej więcej cały układ okresowy, aby zrozumieć, jak pierwiastki i ich skład chemiczny zmieniają się pod ciśnieniem. Opublikowaliśmy szereg artykułów, w szczególności na temat natury nadprzewodnictwa w tlenie pod ciśnieniem, ponieważ tlen pod ciśnieniem staje się nadprzewodnikiem. Dla wielu innych pierwiastków: pierwiastki alkaliczne lub pierwiastki ziem alkalicznych i tak dalej. Ale prawdopodobnie najciekawszą rzeczą było odkrycie nowych zjawisk związanych z sodem i borem. To chyba te dwa elementy, które nas najbardziej zaskoczyły. Tak zaczynaliśmy. A teraz przeszliśmy do rozwiązywania problemów praktycznych, współpracujemy z takimi firmami jak Intel, Samsung, Fujitsu, Toyota, Sony. Toyota, o ile wiem, wynalazła niedawno nowy materiał na akumulatory litowe naszą metodą i zamierza wprowadzić ten materiał na rynek.
— Oni przejęli twoją metodę, przejęli technologię poszukiwania materiałów, a ty nie?
- Tak, oczywiście. Nie narzucamy się jako ciężar, ale staramy się pomóc wszystkim badaczom. Nasz program jest dostępny dla każdego, kto chce z niego skorzystać. Firmy muszą coś zapłacić za prawo do korzystania z programu. Naukowcy zajmujący się nauką akademicką otrzymują ją bezpłatnie, po prostu pobierając ją z naszej strony internetowej. Nasz program ma już prawie 2 tysiące użytkowników na całym świecie. I bardzo się cieszę, gdy widzę, że nasi użytkownicy osiągają coś dobrego. Ja i moja grupa mamy aż nadto naszych odkryć, prac i spostrzeżeń. Kiedy widzimy to samo w innych grupach, tylko nas to uszczęśliwia.
Materiał został przygotowany na podstawie audycji radiowej PostNauka w radiu Rosyjskiego Serwisu Informacyjnego.
Istota poszukiwań najstabilniejszej struktury sprowadza się do obliczenia stanu materii, który ma najniższą energię. Energia w tym przypadku zależy od elektromagnetycznego oddziaływania jąder i elektronów atomów tworzących badany kryształ. Można to oszacować za pomocą obliczeń mechaniki kwantowej w oparciu o uproszczone równanie Schrödingera. W ten sposób wykorzystuje algorytm USPEX teoria funkcjonału gęstości, który rozwinął się w drugiej połowie ubiegłego wieku. Jego głównym celem jest uproszczenie obliczeń struktury elektronowej cząsteczek i kryształów. Teoria umożliwia zastąpienie wieloelektronowej funkcji falowej gęstością elektronową, zachowując przy tym formalną dokładność (choć w rzeczywistości przybliżenia są nieuniknione). W praktyce prowadzi to do zmniejszenia złożoności obliczeń, a co za tym idzie, czasu poświęconego na nie. Zatem obliczenia mechaniki kwantowej połączono z algorytmem ewolucyjnym w USPEX (ryc. 2). Jak działa algorytm ewolucyjny?
Struktury o najniższej energii można wyszukiwać metodą brutalnej siły: losowo umieszczając atomy względem siebie i analizując każdy taki stan. Ponieważ jednak liczba opcji jest ogromna (nawet jeśli atomów będzie tylko 10, możliwości ich ułożenia względem siebie będzie około 100 miliardów), obliczenia zajęłyby zbyt dużo czasu. Dlatego naukowcom udało się osiągnąć sukces dopiero po opracowaniu bardziej przebiegłej metody. Algorytm USPEX opiera się na podejściu ewolucyjnym (rys. 2). Najpierw losowo generowana jest niewielka liczba struktur i obliczana jest ich energia. System usuwa opcje o najwyższej energii, czyli najmniej stabilne, i generuje podobne z najbardziej stabilnych i je oblicza. Jednocześnie komputer nadal losowo generuje nowe struktury, aby utrzymać różnorodność populacji, co jest niezbędnym warunkiem pomyślnej ewolucji.
Zatem logika zaczerpnięta z biologii pomogła rozwiązać problem przewidywania struktur krystalicznych. Trudno powiedzieć, że w tym układzie jest gen, bo nowe struktury mogą różnić się od swoich poprzedników bardzo różnymi parametrami. „Osobniki” najlepiej przystosowane do warunków selekcji pozostawiają potomstwo, czyli algorytm, ucząc się na swoich błędach, maksymalizuje szanse powodzenia w kolejnej próbie. System dość szybko znajduje opcję o najniższej energii i skutecznie oblicza sytuację, gdy jednostka strukturalna (komórka) zawiera dziesiątki, a nawet pierwsze setki atomów, podczas gdy dotychczasowe algorytmy nie radziły sobie nawet z dziesięcioma.
Jednym z nowych zadań postawionych przed USPEX w MIPT jest przewidywanie trzeciorzędowej struktury białek na podstawie ich sekwencji aminokwasów. Ten problem współczesnej biologii molekularnej jest jednym z kluczowych. Ogólnie rzecz biorąc, przed naukowcami stoi bardzo trudne zadanie również dlatego, że trudno jest obliczyć energię dla tak złożonej cząsteczki, jaką jest białko. Według Artema Oganowa jego algorytm jest już w stanie przewidzieć strukturę peptydów o długości około 40 aminokwasów.
Wideo 2. Polimery i biopolimery. Jakimi substancjami są polimery? Jaka jest struktura polimeru? Jak powszechne jest stosowanie materiałów polimerowych? Mówi o tym profesor, doktor krystalografii Artem Oganov.
Wyjaśnienie USPEX
W jednym ze swoich artykułów popularnonaukowych Artem Oganov (ryc. 3) opisuje USPEX w następujący sposób:
„Oto obrazowy przykład ilustrujący ogólną ideę. Wyobraź sobie, że musisz znaleźć najwyższą górę na powierzchni nieznanej planety, gdzie panuje kompletna ciemność. Aby oszczędzać zasoby, ważne jest, aby zrozumieć, że nie potrzebujemy pełnej mapy reliefowej, a jedynie jej najwyższy punkt.
Ryc. 3. Artem Romaevich Oganov
Lądujesz na planecie niewielką grupę biorobotów, wysyłając je jeden po drugim w losowe miejsca. Instrukcja, której musi przestrzegać każdy robot, polega na przejściu po powierzchni wbrew siłom przyciągania grawitacyjnego i ostatecznie dotarciu na szczyt najbliższego wzgórza, którego współrzędne musi zgłosić do bazy orbitalnej. Nie mamy środków na duży kontyngent badawczy, a prawdopodobieństwo, że któryś z robotów od razu wdrapie się na najwyższą górę, jest niezwykle małe. Oznacza to, że konieczne jest stosowanie dobrze znanej zasady rosyjskiej nauki wojskowej: „walcz nie liczbami, ale umiejętnościami”, która jest tutaj realizowana w formie podejścia ewolucyjnego. Biorąc pod uwagę najbliższego sąsiada, roboty spotykają się i rozmnażają swój własny gatunek, umieszczając je wzdłuż linii pomiędzy „swoimi” wierzchołkami. Potomstwo biorobotów zaczyna wykonywać te same instrukcje: porusza się w kierunku wzniesienia płaskorzeźby, badając obszar pomiędzy dwoma szczytami swoich „rodziców”. Te „osobniki”, które natrafiły na wierzchołki poniżej poziomu średniego, są przywoływane (w ten sposób przeprowadzana jest selekcja) i wrzucane ponownie losowo (w ten sposób modeluje się utrzymanie „różnorodności genetycznej” populacji).
Jak oszacować niepewność, z jaką działa USPEX? Możesz wcześniej wziąć problem ze znaną poprawną odpowiedzią i rozwiązać go 100 razy niezależnie, korzystając z algorytmu. Jeśli w 99 przypadkach zostanie uzyskana prawidłowa odpowiedź, prawdopodobieństwo błędu w obliczeniach wyniesie 1%. Zazwyczaj prawidłowe przewidywania uzyskuje się z prawdopodobieństwem 98–99%, gdy liczba atomów w komórce elementarnej wynosi 40.
Ewolucyjny algorytm USPEX doprowadził do wielu interesujących odkryć, a nawet do opracowania nowej postaci dawkowania leku, o czym zostanie mowa poniżej. Zastanawiam się, co się stanie, gdy pojawi się nowa generacja superkomputerów? Czy algorytm przewidywania struktur krystalicznych zmieni się radykalnie? Na przykład niektórzy naukowcy opracowują komputery kwantowe. W przyszłości będą one znacznie skuteczniejsze od najbardziej zaawansowanych nowoczesnych. Według Artema Oganowa algorytmy ewolucyjne utrzymają wiodącą pozycję, ale zaczną działać szybciej.
Obszary pracy laboratorium: od termoelektryki po leki
USPEX okazał się nie tylko skutecznym algorytmem, ale także wielofunkcyjnym. Obecnie pod przewodnictwem Artema Oganowa prowadzonych jest wiele prac naukowych z różnych dziedzin. Do najnowszych projektów należą próby modelowania nowych materiałów termoelektrycznych i przewidywania struktury białek.
„Mamy kilka projektów, jeden z nich to badanie materiałów niskowymiarowych, takich jak nanocząstki, materiały powierzchniowe, Innym jest badanie substancji chemicznych pod wysokim ciśnieniem. Istnieje również ciekawy projekt związany z przewidywaniem nowych materiałów termoelektrycznych. Teraz już wiemy, że adaptacja wymyślonej przez nas metody przewidywania struktur krystalicznych do zagadnień termoelektrycznych sprawdza się skutecznie. W tej chwili jesteśmy gotowi na duży przełom, którego efektem powinno być odkrycie nowych materiałów termoelektrycznych. Wiadomo już, że stworzona przez nas metoda dla termoelektryków jest bardzo skuteczna, przeprowadzone testy zakończyły się sukcesem. I jesteśmy całkowicie gotowi na poszukiwania nowych materiałów. Zajmujemy się także przewidywaniem i badaniem nowych nadprzewodników wysokotemperaturowych. Zadajemy sobie pytanie o przewidywanie struktury białek. To dla nas nowe i bardzo ciekawe zadanie.”
Co ciekawe, USPEX przyniósł już korzyści nawet medycynie: „Co więcej, opracowujemy nowe leki. W szczególności przewidzieliśmy, uzyskaliśmy i opatentowaliśmy nowy lek,– mówi A.R. Oganow. - To hydrat 4-aminopirydyny, lek na stwardnienie rozsiane”.
Mówimy o leku opatentowanym niedawno przez Valery'ego Roizena (ryc. 4), Anastasię Naumową i Artema Oganowa, leku, który pozwala na objawowe leczenie stwardnienia rozsianego. Patent jest otwarty, co pomoże obniżyć cenę leku. Stwardnienie rozsiane jest przewlekłą chorobą autoimmunologiczną, to znaczy jedną z tych patologii, gdy własny układ odpornościowy szkodzi gospodarzowi. Powoduje to uszkodzenie osłonki mielinowej włókien nerwowych, która normalnie pełni funkcję izolacji elektrycznej. Jest to bardzo ważne dla prawidłowego funkcjonowania neuronów: prąd przepływa przez wyrostki komórek nerwowych pokrytych mieliną 5–10 razy szybciej niż przez komórki niepowleczone. Dlatego stwardnienie rozsiane prowadzi do zaburzeń w funkcjonowaniu układu nerwowego.
Przyczyny stwardnienia rozsianego pozostają niejasne. Wiele laboratoriów na całym świecie próbuje je zrozumieć. W Rosji zajmuje się tym laboratorium biokatalizy Instytutu Chemii Bioorganicznej.
Rycina 4. Valery Roizen jest jednym z autorów patentu na lek na stwardnienie rozsiane, pracownik laboratorium komputerowego projektowania materiałów, opracowywania nowych form dawkowania leków oraz aktywnie zaangażowany w popularyzację nauki.
Wideo 3. Wykład popularnonaukowy Valery'ego Roizena „Pyszne kryształy”. Dowiesz się o zasadach działania leków, znaczeniu formy dostarczania leku do organizmu człowieka oraz o złym bracie bliźniaku aspiryny.
Wcześniej w klinice stosowano już 4-aminopirydynę, jednak naukowcom udało się poprawić wchłanianie tego leku do krwi poprzez zmianę składu chemicznego. Otrzymali krystaliczny hydrat 4-aminopirydyny (ryc. 5) o stechiometrii 1:5. W tej postaci opatentowano sam lek i sposób jego przygotowania. Substancja poprawia uwalnianie neuroprzekaźników w synapsach nerwowo-mięśniowych, co poprawia samopoczucie pacjentów chorych na stwardnienie rozsiane. Warto zaznaczyć, że mechanizm ten polega na leczeniu objawów, a nie samej choroby. Oprócz biodostępności, zasadniczy punkt nowego rozwoju jest następujący: ponieważ możliwe było „zamknięcie” 4-aminopirydyny w krysztale, stało się ona wygodniejsza w zastosowaniu w medycynie. Substancje krystaliczne są stosunkowo łatwe do uzyskania w postaci oczyszczonej i jednorodnej, a brak w leku potencjalnie szkodliwych zanieczyszczeń jest jednym z kluczowych kryteriów dobrego leku.
Odkrycie nowych struktur chemicznych
Jak wspomniano powyżej, USPEX pozwala znaleźć nowe struktury chemiczne. Okazuje się, że nawet „zwykły” węgiel ma swoje tajemnice. Węgiel jest bardzo interesującym pierwiastkiem chemicznym, ponieważ tworzy szeroką gamę struktur, od supertwardych dielektryków po miękkie półprzewodniki, a nawet nadprzewodniki. Do pierwszych zalicza się diament i lonsdaleit, drugi – grafit, a trzeci – niektóre fulereny w niskich temperaturach. Pomimo szerokiej gamy znanych form węgla naukowcom pod przewodnictwem Artema Oganowa udało się odkryć całkowicie nową strukturę: wcześniej nie było wiadomo, że węgiel może tworzyć kompleksy „gość-gospodarz” (ryc. 6). W pracach wzięli także udział pracownicy Laboratorium Komputerowego Projektowania Materiałów (rys. 7).
Ryc. 7. Oleg Feya, doktorant MIPT, pracownik Laboratorium Komputerowego Projektowania Materiałów i jeden z autorów odkrycia nowej struktury węgla. W wolnym czasie Oleg zajmuje się popularyzacją nauki: jego artykuły można przeczytać w publikacjach „Kot Schrödingera”, „Dla nauki”, STRF.ru, „Kraj Rosatom”. Ponadto Oleg jest zwycięzcą Moskwy Slam naukowy oraz uczestnik programu telewizyjnego „Najmądrzejszy”.
Interakcje gospodarz-gość zachodzą na przykład w kompleksach składających się z cząsteczek połączonych ze sobą wiązaniami niekowalencyjnymi. Oznacza to, że określony atom/cząsteczka zajmuje określone miejsce w sieci krystalicznej, ale nie tworzy wiązania kowalencyjnego z otaczającymi związkami. Takie zachowanie jest powszechne wśród cząsteczek biologicznych, które łączą się ze sobą, tworząc silne i duże kompleksy, które pełnią różne funkcje w naszym organizmie. Najogólniej mamy na myśli połączenia składające się z dwóch rodzajów elementów konstrukcyjnych. W przypadku substancji utworzonych wyłącznie przez węgiel takie formy nie były znane. Naukowcy opublikowali swoje odkrycie w 2014 roku, poszerzając naszą wiedzę na temat właściwości i zachowania całej 14. grupy pierwiastków chemicznych (ryc. 8).Warto zauważyć, że w otwartej formie węgla powstają wiązania kowalencyjne pomiędzy atomami. Mówimy o typie gość-gospodarz ze względu na obecność wyraźnie określonych dwóch typów atomów węgla, które mają zupełnie różne środowiska strukturalne.
Nowa chemia wysokociśnieniowa
Laboratorium projektowania materiałów wspomaganych komputerowo bada, które substancje będą stabilne pod wysokim ciśnieniem. Oto jak kierownik laboratorium przekonuje o zainteresowaniu takimi badaniami: „Badamy materiały pod wysokim ciśnieniem, w szczególności nową chemię, która pojawia się w takich warunkach. To bardzo nietypowa chemia, która nie mieści się w tradycyjnych zasadach. Zdobyta wiedza o nowych związkach pozwoli zrozumieć, co dzieje się wewnątrz planet. Ponieważ te niezwykłe substancje chemiczne mogą okazać się bardzo ważnymi materiałami we wnętrzu planety.” Trudno przewidzieć, jak substancje zachowają się pod wysokim ciśnieniem: większość zasad chemicznych przestaje działać, ponieważ te warunki są tak odmienne od tych, do których jesteśmy przyzwyczajeni. Niemniej jednak musimy to zrozumieć, jeśli chcemy wiedzieć, jak działa Wszechświat. Lwia część materii barionowej we Wszechświecie znajduje się pod wysokim ciśnieniem wewnątrz planet, gwiazd i satelitów. Co zaskakujące, nadal niewiele wiadomo na temat jego składu chemicznego.
Nową chemię, która jest realizowana pod wysokim ciśnieniem w Laboratorium Komputerowego Projektowania Materiałów w MIPT, bada doktor (stopień podobny do kandydata nauk) Gabriele Saleh:
„Jestem chemikiem i interesuję się chemią wysokociśnieniową. Dlaczego? Bo mamy zasady chemii, które zostały sformułowane 100 lat temu, ale ostatnio okazało się, że przestają działać przy wysokich ciśnieniach. I to jest bardzo interesujące! To jak wesołe miasteczko: istnieje zjawisko, którego nikt nie potrafi wyjaśnić; odkrywanie nowego zjawiska i próba zrozumienia, dlaczego tak się dzieje, jest bardzo ekscytujące. Zaczęliśmy rozmowę od spraw fundamentalnych. Wysokie ciśnienia występują jednak także w świecie rzeczywistym. Oczywiście nie w tym pokoju, ale wewnątrz Ziemi i na innych planetach.” .
Ponieważ jestem chemikiem, interesuję się chemią wysokociśnieniową. Dlaczego? Ponieważ mamy zasady chemiczne, które zostały ustalone sto lat temu, ale niedawno odkryto, że zasady te łamią się pod wysokim ciśnieniem. I to jest bardzo interesujące! To jest jak loonopark, bo mamy do czynienia z fenomenem, którego nikt nie potrafi racjonalizować. Interesujące jest badanie nowych zjawisk i próba zrozumienia, dlaczego tak się dzieje. Zaczęliśmy od fundamentalnego punktu widzenia. Ale te wysokie ciśnienia istnieją. Oczywiście nie w tym pokoju, ale we wnętrzu Ziemi i na innych planetach.
Rysunek 9. Kwas węglowy (H 2 CO 3) - struktura stabilna ciśnieniowo. We wkładce powyżej pokazano, że razem Oś C powstają struktury polimerowe. Badanie układu węgiel-tlen-wodór pod wysokim ciśnieniem jest bardzo ważne dla zrozumienia działania planet. H 2 O (woda) i CH 4 (metan) to główne składniki niektórych planet-olbrzymów – na przykład Neptuna i Urana, gdzie ciśnienie może sięgać setek GPa. Duże lodowe satelity (Ganymede, Callisto, Tytan) i komety zawierają również wodę, metan i dwutlenek węgla, które podlegają ciśnieniu dochodzącemu do kilku GPa.
Gabriele opowiedział nam o swojej nowej pracy, która niedawno została przyjęta do publikacji:
„Czasami zajmujesz się naukami podstawowymi, ale potem odkrywasz bezpośrednie zastosowanie zdobytej wiedzy. Przykładowo niedawno złożyliśmy do publikacji artykuł, w którym opisujemy wyniki poszukiwań wszystkich stabilnych związków wytwarzanych pod wysokim ciśnieniem z węgla, wodoru i tlenu. Znaleźliśmy taki, który jest stabilny przy bardzo niskich ciśnieniach, takich jak 1 GPa i okazało się, że był to kwas węglowy H 2 CO 3(ryc. 9). Przestudiowałem literaturę astrofizyczną i odkryłem, że księżyce Ganimedes i Kallisto [księżyce Jowisza] składają się z wody i dwutlenku węgla: cząsteczek tworzących kwas węglowy. W ten sposób zdaliśmy sobie sprawę, że nasze odkrycie sugeruje powstawanie tam kwasu węglowego. O tym właśnie mówiłem: wszystko zaczęło się od nauk podstawowych, a skończyło na czymś ważnym dla badania satelitów i planet. .
Należy pamiętać, że takie ciśnienia okazują się niskie w porównaniu z tymi, które w zasadzie można znaleźć we Wszechświecie, ale wysokie w porównaniu z tymi, które działają na nas na powierzchni Ziemi.
Czasami więc studiujesz coś z zakresu nauk podstawowych, ale potem odkrywasz, że ma to właściwe zastosowanie. Na przykład właśnie przesłaliśmy artykuł, w którym wzięliśmy węgiel, wodór i tlen pod wysokim ciśnieniem i próbowaliśmy znaleźć wszystkie stabilne związki. Znaleźliśmy taki, który był kwasem węglowym i był stabilny przy bardzo niskim ciśnieniu, rzędu jednego gigapaskala. Przejrzałem literaturę astrofizyczną i odkryłem: istnieją satelity takie jak Ganymede czy Calisto. Jest na nich dwutlenek węgla i woda. Cząsteczki tworzące ten kwas węglowy. Zdaliśmy więc sobie sprawę, że to odkrycie oznacza, że prawdopodobnie istniałby kwas węglowy. To właśnie mam na myśli, mówiąc zacząć od podstaw i odkryć coś, co można zastosować w nauce o planetach.
Inny przykład niezwykłej chemii, jaki można podać, dotyczy zwykłej soli kuchennej, NaCl. Okazuje się, że jeśli uda Ci się wytworzyć w solniczce ciśnienie 350 GPa, otrzymasz nowe połączenia. W 2013 roku pod przewodnictwem A.R. Oganov wykazał, że jeśli do NaCl zostanie zastosowane wysokie ciśnienie, wówczas niezwykłe związki staną się stabilne - na przykład NaCl 7 (ryc. 10) i Na 3 Cl. Co ciekawe, wiele z odkrytych substancji to metale. Gabriele Saleh i Artem Oganov kontynuowali pionierskie prace, w których wykazali egzotyczne zachowanie chlorków sodu pod wysokim ciśnieniem i opracowali model teoretyczny, który można wykorzystać do przewidywania właściwości halogenowych związków metali alkalicznych.
Opisali zasady, jakim te substancje podlegają w tak nietypowych warunkach. Stosując algorytm USPEX, kilka związków o wzorze A 3 Y (A = Li, Na, K; Y = F, Cl, Br) teoretycznie poddano działaniu ciśnień do 350 GPa. Doprowadziło to do odkrycia jonów chlorkowych na stopniu utlenienia -2. „Standardowa” chemia tego zabrania. W takich warunkach mogą powstać nowe substancje, na przykład o wzorze chemicznym Na 4 Cl 3.
Rysunek 10. Struktura krystaliczna soli kuchennej NaCl ( lewy) i niezwykły związek NaCl 7 ( po prawej), stabilny pod ciśnieniem.
Chemia potrzebuje nowych zasad
Gabriele Saleh (ryc. 11) mówił o swoich badaniach mających na celu opisanie nowych zasad chemii, które miałyby moc predykcyjną nie tylko w standardowych warunkach, ale opisywałyby zachowanie i właściwości substancji pod wysokim ciśnieniem (ryc. 12).
Rysunek 11. Gabriele Salih
„Dwa lub trzy lata temu profesor Oganov odkrył, że tak prosta sól jak NaCl pod wysokim ciśnieniem nie jest taka prosta: sód i chlor mogą tworzyć inne związki. Ale nikt nie wiedział dlaczego. Naukowcy przeprowadzili obliczenia i otrzymali wyniki, ale nie było wiadomo, dlaczego wszystko dzieje się tak, a nie inaczej. Od czasów studiów zajmuję się wiązaniami chemicznymi i w trakcie moich badań udało mi się sformułować pewne zasady, które logicznie wyjaśniają, co się dzieje. Badałem, jak elektrony zachowują się w takich związkach i doszedłem do ogólnych wzorców, które są dla nich charakterystyczne pod wysokim ciśnieniem. Aby sprawdzić, czy te reguły są wytworem mojej wyobraźni, czy są nadal obiektywnie poprawne, przewidziałem struktury podobnych związków - LiBr lub NaBr i kilku innych podobnych. I rzeczywiście, ogólne zasady są przestrzegane. Krótko mówiąc, widziałem, że istnieje tendencja: kiedy przykłada się nacisk do takich związków, tworzą one dwuwymiarową strukturę metalową, a następnie jednowymiarową. Następnie, pod bardzo wysokim ciśnieniem, zaczynają się dziać dziwniejsze rzeczy, ponieważ chlor miałby wówczas stopień utlenienia -2. Wszyscy chemicy wiedzą, że chlor ma stopień utlenienia -1. Jest to typowy podręcznikowy przykład: sód traci elektron, a chlor go zabiera. Dlatego stopnie utlenienia wynoszą odpowiednio +1 i -1. Jednak pod dużą presją sprawy nie działają w ten sposób. Pokazaliśmy to, stosując kilka podejść do analizy wiązań chemicznych. Również w trakcie pracy szukałem specjalistycznej literatury, żeby zrozumieć, czy ktoś już zaobserwował takie prawidłowości. I okazało się, że tak. Jeśli się nie mylę, bizmutan sodu i niektóre inne związki podlegają opisanym zasadom. Oczywiście to dopiero początek. Kiedy ukażą się kolejne artykuły na ten temat, dowiemy się, czy nasz model ma realną moc predykcyjną. Bo właśnie tego szukamy. Chcemy opisać prawa chemiczne, które obowiązywałyby również przy wysokich ciśnieniach.” .
Dwa lub trzy lata temu profesor Oganov odkrył, że prosta sól NaCl pod wysokim ciśnieniem nie jest zbyt prosta i utworzą się inne związki. Ale nikt nie wie dlaczego. Dokonali obliczeń i otrzymali wyniki, ale nie można powiedzieć, dlaczego tak się dzieje. Ponieważ więc podczas doktoratu specjalizowałem się w badaniu wiązań chemicznych, badałem te związki i znajduję pewną zasadę, która racjonalizuje to, co się dzieje. Zbadałem, jak elektrony zachowują się w tych związkach i wymyśliłem pewne zasady, którymi tego rodzaju związki będą się kierować pod wysokim ciśnieniem. Aby sprawdzić, czy moje reguły są tylko moją wyobraźnią, czy też są prawdziwe, przewidziałem nowe struktury podobnych związków. Na przykład LiBr lub NaBr i niektóre tego typu kombinacje. I tak, okazuje się, że te zasady są przestrzegane. Krótko mówiąc, żeby nie być zbyt specjalistycznym, zauważyłem, że istnieje tendencja: kiedy je skompresujesz, utworzą dwuwymiarowe metale, a następnie jednowymiarową strukturę metalu. A potem przy bardzo wysokim ciśnieniu wydarzyłoby się coś bardziej dzikiego, ponieważ Cl w tym przypadku będzie miał stopień utlenienia -2. Wszyscy chemicy wiedzą, że najniższy stopień utlenienia Cl wynosi -1, co jest typowym podręcznikowym przykładem: sód traci elektrony, a chlor je otrzymuje. Mamy więc stopnie utlenienia +1 i -1. Ale przy bardzo wysokim ciśnieniu nie jest to już prawdą. Wykazaliśmy to, stosując pewne podejścia do analizy wiązań chemicznych. W tej pracy również próbowałem zajrzeć do literatury, aby zobaczyć, czy ktoś spotkał się już z tego typu regułami. I tak, okazało się, że były. Jeśli się nie mylę, Na-Bi i inne związki okazały się przestrzegać tych zasad. To oczywiście tylko punkt wyjścia. Pojawią się inne artykuły i zobaczymy, czy ten model ma rzeczywistą moc predykcyjną. Ponieważ tego właśnie szukamy. Chcemy naszkicować chemię, która będzie działać również w przypadku wysokiego ciśnienia.
Rysunek 12. Struktura substancji o wzorze chemicznym Na 4 Cl 3, która powstaje pod ciśnieniem 125-170 GPa, co wyraźnie pokazuje pojawienie się „dziwnej” chemii pod ciśnieniem.
Jeśli eksperymentujesz, rób to wybiórczo
Pomimo tego, że algorytm USPEX ma w swoich zadaniach dużą moc predykcyjną, teoria zawsze wymaga weryfikacji eksperymentalnej. Pracownia Komputerowego Wspomagania Projektowania Materiałów ma charakter teoretyczny, jak sama nazwa wskazuje. Dlatego eksperymenty prowadzone są we współpracy z innymi zespołami naukowymi. Gabriele Saleh tak komentuje strategię badawczą przyjętą w laboratorium:
„Nie przeprowadzamy eksperymentów – jesteśmy teoretykami. Ale często współpracujemy z ludźmi, którzy to robią. Właściwie, myślę, że jest to ogólnie trudne. Dziś nauka jest wysoce wyspecjalizowana, więc nie jest łatwo znaleźć kogoś, kto potrafi jedno i drugie”. .
Nie przeprowadzamy eksperymentów, ale często współpracujemy z osobami, które przeprowadzają eksperymenty. Właściwie to myślę, że to naprawdę trudne. W dzisiejszych czasach nauka jest bardzo wyspecjalizowana, więc trudno znaleźć kogoś, kto zajmuje się jednym i drugim.
Jednym z najwyraźniejszych przykładów jest przewidywanie przezroczystego sodu. W 2009 roku w czasopiśmie Natura Opublikowano wyniki prac prowadzonych pod przewodnictwem Artema Oganowa. W artykule naukowcy opisali nową formę Na, w której jest to przezroczysty niemetal, stający się dielektrykiem pod ciśnieniem. Dlaczego to się dzieje? Wynika to z zachowania elektronów walencyjnych: pod ciśnieniem są one wypychane do pustych przestrzeni sieci krystalicznej utworzonej przez atomy sodu (ryc. 13). W tym przypadku właściwości metaliczne substancji znikają i pojawiają się właściwości dielektryka. Ciśnienie 2 milionów atmosfer powoduje, że sód jest czerwony, a ciśnienie 3 milionów powoduje, że jest on bezbarwny.
Rysunek 13. Sód pod ciśnieniem ponad 3 milionów atmosfer. Niebieski pokazuje strukturę krystaliczną atomów sodu, Pomarańczowy- wiązki elektronów walencyjnych w pustych przestrzeniach struktury.
Niewielu wierzyło, że klasyczny metal może wykazywać takie zachowanie. Jednak we współpracy z fizykiem Michaiłem Eremetsem uzyskano dane eksperymentalne, które całkowicie potwierdziły przewidywania (ryc. 14).
Rysunek 14. Zdjęcia próbki Na uzyskane przy kombinacji oświetlenia przechodzącego i odbitego. Do próbki zastosowano różne ciśnienia: 199 GPa (faza przezroczysta), 156 GPa, 124 GPa i 120 GPa.
Trzeba pracować z pasją!
Artem Oganov opowiedział nam, jakie wymagania stawia swoim pracownikom:
„Przede wszystkim muszą mieć dobre wykształcenie. Po drugie, bądź pracowity. Jeśli ktoś jest leniwy, to go nie zatrudnię, a jeśli zatrudnię go przez pomyłkę, zostanie wyrzucony. Po prostu zwolniłem kilku pracowników, którzy okazali się leniwi, bezwładni i amorficzni. I myślę, że jest to całkowicie poprawne i dobre nawet dla samej osoby. Bo jeśli ktoś nie jest na swoim miejscu, nie będzie szczęśliwy. Musi udać się do miejsca, w którym będzie pracował z ogniem, entuzjazmem i przyjemnością. Jest to dobre zarówno dla laboratorium, jak i dla ludzi. A ci ludzie, którzy naprawdę pięknie pracują, z pasją, im nieźle płacimy, jeżdżą na konferencje, piszą artykuły, które potem publikowane są w najlepszych światowych magazynach, wszystko będzie dla nich dobrze. Ponieważ są we właściwym miejscu, a laboratorium ma odpowiednie zasoby, aby ich wspierać. Oznacza to, że chłopaki nie muszą myśleć o zarobieniu dodatkowych pieniędzy, aby przetrwać. Potrafią skoncentrować się na nauce, na swoim ulubionym zajęciu i robić to z sukcesem. Mamy teraz kilka nowych dotacji, co otwiera nam szansę na zatrudnienie kilku dodatkowych osób. Zawsze jest konkurencja. Ludzie aplikują przez cały rok, oczywiście nie przyjmuję wszystkich.. (2016). Krystaliczny hydrat 4-aminopirydyny, sposób jego wytwarzania, skład farmaceutyczny oraz oparty na nim sposób leczenia i/lub profilaktyki. Fiz. Chem. Chem. Fiz. 18 , 2840–2849;
Publikujemy tekst wykładu profesora Uniwersytetu Stanowego w Nowym Jorku, adiunkta Uniwersytetu Moskiewskiego oraz profesora honorowego Uniwersytetu GuilinArtem Oganow 8 Wrzesień 2012 w ramach cyklu „Wykłady publiczne „Polit.ru” na plenerowym festiwalu książki Rynek Książki w parku sztuki Muzeon.
„Wykłady publiczne „Polit.ru”” odbywają się przy wsparciu:
Tekst wykładu
Jestem bardzo wdzięczny organizatorom tego festiwalu i Polit.ru za zaproszenie. Mam zaszczyt wygłosić ten wykład; Mam nadzieję, że uznasz to za interesujące.
Wykład jest bezpośrednio związany z naszą przyszłością, bo nasza przyszłość nie jest możliwa bez nowych technologii, technologii związanych z jakością naszego życia, oto iPad, oto nasz projektor, cała nasza elektronika, technologie energooszczędne, technologie, które służą do oczyszczanie środowiska, technologie stosowane w medycynie i tak dalej – wszystko to w dużej mierze zależy od nowych materiałów, nowe technologie wymagają nowych materiałów, materiałów o unikalnych, specjalnych właściwościach. Opowiedziana zostanie historia o tym, jak te nowe materiały można opracować nie w laboratorium, ale na komputerze.
Wykład nosi tytuł: „Komputerowe projektowanie nowych materiałów: marzenie czy rzeczywistość?” Gdyby to był całkowicie sen, wykład nie miałby sensu. Sny są z reguły czymś nie pochodzącym ze sfery rzeczywistości. Z drugiej strony, gdyby to zostało już w pełni wdrożone, wykład również nie miałby sensu, ponieważ nowe metodologie, w tym teoretyczne i obliczeniowe, gdy są już w pełni rozwinięte, przechodzą z kategorii nauki do kategorii rutynowych zadań przemysłowych . Tak naprawdę jest to dziedzina zupełnie nowa: komputerowe projektowanie nowych materiałów plasuje się gdzieś pośrodku pomiędzy marzeniem – o tym, co niemożliwe, o czym marzymy w czasie wolnym – a rzeczywistością, to nie jest jeszcze całkowicie ukończony obszar, to to obszar, który jest obecnie rozwijany. I to właśnie ten obszar umożliwi w niedalekiej przyszłości odejście od tradycyjnej metody odkrywania nowych materiałów, laboratoryjnej, i rozpoczęcie komputerowego wspomagania projektowania materiałów, co byłoby tańsze, szybsze i pod wieloma względami jeszcze bardziej niezawodne. Ale powiem ci, jak to zrobić. Wiąże się to bezpośrednio z problemem przewidywania, prognozowania struktury substancji, ponieważ budowa substancji determinuje jej właściwości. Odmienna struktura tej samej substancji, np. węgla, decyduje o supertwardym diamentie i supermiękkim graficie. Struktura w tym przypadku jest wszystkim. Struktura materii.
Ogólnie rzecz biorąc, w tym roku obchodzimy setną rocznicę pierwszych eksperymentów, które pozwoliły odkryć strukturę materii. Już od czasów starożytnych ludzie stawiali hipotezę, że materia składa się z atomów. Wzmianki o tym można znaleźć na przykład w Biblii, w różnych eposach indyjskich, a dość szczegółowe wzmianki na ten temat można znaleźć u Demokryta i Lukrecjusza Cara. A pierwsza wzmianka o tym, jak materia jest zbudowana, jak ta materia składa się z tych odrębnych cząstek, atomów, należy do Johannesa Keplera, wielkiego matematyka, astronoma, a nawet astrologa - w tamtym czasie astrologia była jeszcze, niestety, uważana za naukę. Kepler rysował pierwsze obrazy, na których wyjaśniał sześciokątny kształt płatków śniegu, a zaproponowana przez Keplera struktura lodu, choć odmienna od rzeczywistości, pod wieloma względami jest do niej podobna. Niemniej jednak hipoteza dotycząca atomowej struktury materii pozostawała hipotezą aż do XX wieku, aż sto lat temu hipoteza ta została po raz pierwszy udowodniona naukowo. Zostało to udowodnione przy pomocy mojej nauki, krystalografii, nauki stosunkowo nowej, która narodziła się w połowie XVII wieku, 1669 to oficjalna data narodzin nauki krystalografii, a jej twórcą był wspaniały duński naukowiec Nicholas Stenon . Właściwie nazywał się Niels Stensen, był Duńczykiem, a jego zlatynizowane nazwisko brzmiało Nicholas Stenon. Założył nie tylko krystalografię, ale szereg dyscyplin naukowych i sformułował pierwsze prawo krystalografii. Od tego czasu krystalografia zaczęła rozwijać się coraz szybciej.
Nikolai Stenon miał wyjątkową biografię. Został nie tylko założycielem kilku nauk, ale także został kanonizowany przez Kościół katolicki. Największy niemiecki poeta Goethe był także krystalografem. A Goethe ma cytat, że krystalografia jest bezproduktywna, istnieje sama w sobie i w ogóle ta nauka jest całkowicie bezużyteczna i nie jest jasne, dlaczego jest potrzebna, ale jako zagadka jest bardzo interesująca i dzięki temu przyciąga bardzo inteligentnych ludzie. To właśnie powiedział Goethe w popularnonaukowym wykładzie, który wygłaszał gdzieś w Badenii zamożnym bezczynnym paniom. Nawiasem mówiąc, istnieje minerał nazwany na cześć Goethego, goethyt. Trzeba przyznać, że w tamtym czasie krystalografia była rzeczywiście nauką raczej bezużyteczną, właściwie na poziomie jakichś matematycznych szarad i zagadek. Czas jednak mijał i 100 lat temu krystalografia wyłoniła się z kategorii takich nauk sama w sobie i stała się nauką niezwykle użyteczną. Poprzedziła to wielka tragedia.
Powtarzam, atomowa struktura materii pozostawała hipotezą aż do 1912 roku. Wielki austriacki fizyk Ludwig Boltzmann opierał wszystkie swoje naukowe argumenty na tej hipotezie o atomowości materii i był ostro krytykowany przez wielu swoich przeciwników: „jak można budować wszystkie swoje teorie na niepotwierdzonej hipotezie?” Ludwig Boltzmann pod wpływem tej krytyki, a także złego stanu zdrowia, popełnił samobójstwo w 1906 roku. Powiesił się podczas wakacji z rodziną we Włoszech. Zaledwie 6 lat później udowodniono atomową strukturę materii. Gdyby więc był trochę bardziej cierpliwy, zatriumfowałby nad wszystkimi swoimi przeciwnikami. Cierpliwość czasami znaczy więcej niż inteligencja, cierpliwość znaczy więcej niż nawet geniusz. Jakiego rodzaju zatem były to eksperymenty? Eksperymenty te zostały przeprowadzone przez Maxa von Laue, a dokładniej przez jego doktorantów. Max von Laue sam nie przeprowadzał takich eksperymentów, ale pomysł był jego. Pomysł był taki, że jeśli materia rzeczywiście składa się z atomów, jeśli rzeczywiście, jak zakładał Kepler, atomy są zbudowane w krysztale w sposób okresowy, regularny, to należy zaobserwować ciekawe zjawisko. Niedługo wcześniej odkryto promieniowanie rentgenowskie. Fizycy już wtedy dobrze zrozumieli, że jeśli długość fali promieniowania jest porównywalna z długością okresowości - charakterystyczną długością obiektu, w tym przypadku kryształu, to należy zaobserwować zjawisko dyfrakcji. Oznacza to, że promienie będą przemieszczać się nie tylko ściśle po linii prostej, ale także odchylać się pod bardzo ściśle określonymi kątami. Zatem na krysztale należy zaobserwować bardzo szczególny wzór dyfrakcji promieni rentgenowskich. Wiadomo było, że długość fali promieni rentgenowskich musi być podobna do wielkości atomów; jeśli atomy istniały, konieczne było oszacowanie ich wielkości. Jeśli zatem hipoteza atomowa dotycząca budowy materii jest słuszna, należy zaobserwować dyfrakcję promieni rentgenowskich na kryształach. Co może być łatwiejszego niż sprawdzanie?
Prosty pomysł, prosty eksperyment, w nieco ponad rok, Laue otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki. I możemy spróbować przeprowadzić ten eksperyment. Ale niestety jest teraz zbyt jasno, aby wszyscy mogli obserwować ten eksperyment. Ale może moglibyśmy spróbować z jednym świadkiem? Kto mógłby tu przyjść i spróbować obserwować ten eksperyment?
Patrzeć. Oto wskaźnik laserowy, świecimy go - i co się tutaj dzieje? Nie wykorzystujemy promieni rentgenowskich, lecz laser optyczny. I to nie jest struktura kryształu, ale jego obraz, powiększony 10 tysięcy razy: ale długość fali lasera jest 10 tysięcy razy większa niż długość fali promieniowania rentgenowskiego, a zatem warunek dyfrakcji jest ponownie spełniony - długość fali wynosi porównywalny z okresem sieci krystalicznej. Przyjrzyjmy się obiektowi, który nie ma regularnej struktury, czyli cieczy. Tutaj, Oleg, trzymaj to zdjęcie, a ja zaświecę laserem, podejdź bliżej, obraz będzie mały, bo nie możemy wyświetlić... spójrz, tu widzisz pierścień, w środku jest punkt, który charakteryzuje bezpośrednie przejście Belka. Ale pierścień jest dyfrakcją zdezorganizowanej struktury cieczy. Jeśli mamy przed sobą kryształ, to obraz będzie zupełnie inny. Widzisz, mamy wiele promieni, które odchylają się pod ściśle określonymi kątami.
Oleg (wolontariusz): Pewnie dlatego, że jest więcej atomów...
Artem Oganow: Nie, ze względu na ściśle określone ułożenie atomów, możemy zaobserwować taki obraz dyfrakcyjny. Ten obraz jest bardzo symetryczny i to jest ważne. Pochwalmy Olega za genialny eksperyment, za który 100 lat temu otrzymałby Nagrodę Nobla.
Następnie, w następnym roku, ojciec i syn Braggy nauczyli się rozszyfrowywać obrazy dyfrakcyjne i określać na ich podstawie struktury kryształów. Pierwsze struktury były bardzo proste, ale teraz, dzięki najnowszym metodologiom, za które w 1985 roku przyznano Nagrodę Nobla, możliwe jest rozszyfrowanie bardzo, bardzo złożonych struktur na podstawie eksperymentu. To jest eksperyment, który Oleg i ja odtworzyliśmy. Oto początkowa struktura, tutaj są cząsteczki benzenu i to jest wzór dyfrakcyjny zaobserwowany przez Olega. Teraz za pomocą eksperymentu można rozszyfrować bardzo złożone struktury, w szczególności struktury kwazikryształów, a w zeszłym roku przyznano Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii za odkrycie kwazikryształów, tego nowego stanu materii stałej. Jakże dynamiczny jest ten obszar, jakich fundamentalnych odkryć dokonuje się za naszego życia! Strukturę białek i innych cząsteczek biologicznie aktywnych można również rozszyfrować za pomocą dyfrakcji promieni rentgenowskich, wspaniałej techniki krystalograficznej.
Znamy więc różne stany materii: uporządkowany krystaliczny i kwazikrystaliczny, amorficzny (nieuporządkowany stan stały), a także ciekły, gazowy i różne polimerowe stany materii. Znając strukturę substancji, można przewidzieć wiele, wiele jej właściwości i to z dużym stopniem wiarygodności. Oto struktura krzemianu magnezu, rodzaju perowskitu. Znając przybliżone położenie atomów, można przewidzieć np. tak trudną właściwość, jak stałe sprężystości - właściwość tę opisuje tensor rangi 4 z wieloma składowymi, a tę złożoną właściwość można przewidzieć z eksperymentalną dokładnością, znając jedynie pozycje atomów. A ta substancja jest dość ważna, stanowi 40% objętości naszej planety. Jest to najpopularniejszy materiał na Ziemi. A właściwości tej substancji, która istnieje na dużych głębokościach, można zrozumieć, znając jedynie układ atomów.
Chciałbym trochę porozmawiać o tym, jak właściwości są powiązane ze strukturą, jak przewidzieć strukturę substancji, aby móc przewidzieć nowe materiały, i co zostało zrobione przy użyciu tego rodzaju metod. Dlaczego lód jest lżejszy od wody? Wszyscy wiemy, że góry lodowe pływają, a nie toną, wiemy, że lód zawsze znajduje się na powierzchni rzeki, a nie na dnie. O co chodzi? Chodzi o strukturę: jeśli spojrzysz na tę strukturę lodu, zobaczysz w nim duże sześciokątne puste przestrzenie, a gdy lód zacznie się topić, cząsteczki wody zatykają te sześciokątne puste przestrzenie, przez co gęstość wody staje się większa niż gęstość z lodu. Możemy zademonstrować, jak zachodzi ten proces. Pokażę Ci krótki film, obejrzyj uważnie. Topienie zacznie się od powierzchni, faktycznie tak to się dzieje, ale to obliczenia komputerowe. I zobaczysz, jak topnienie rozprzestrzenia się do wewnątrz... cząsteczki poruszają się i widzisz, jak te sześciokątne kanały zatykają się i traci się regularność struktury.
Lód ma kilka różnych kształtów, a bardzo interesującą formą lodu jest ta, która powstaje, gdy wypełniasz puste przestrzenie w strukturze lodu cząsteczkami gości. Ale sama konstrukcja również ulegnie zmianie. Mówię o tak zwanych hydratach lub klatratach gazów. Widzisz strukturę cząsteczek wody, w której znajdują się puste przestrzenie, w których znajdują się cząsteczki lub atomy gości. Cząsteczkami gościnnymi może być metan – gaz ziemny, może dwutlenek węgla, a może na przykład atom ksenonu, a każdy z tych hydratów gazu ma ciekawą historię. Faktem jest, że zasoby hydratu metanu zawierają o 2 rzędy wielkości więcej gazu ziemnego niż tradycyjne złoża gazowe. Złoża tego typu zlokalizowane są z reguły na szelfie morskim oraz w strefach wiecznej zmarzliny. Problem w tym, że ludzie wciąż nie nauczyli się, jak bezpiecznie i tanio wydobywać z nich gaz. Jeśli ten problem zostanie rozwiązany, ludzkość będzie mogła zapomnieć o kryzysie energetycznym, będziemy mieli praktycznie niewyczerpane źródło energii na nadchodzące stulecia. Bardzo ciekawym rozwiązaniem jest hydrat dwutlenku węgla, który można wykorzystać jako bezpieczny sposób na pozbycie się nadmiaru dwutlenku węgla. Pompujesz dwutlenek węgla pod niskim ciśnieniem do lodu i zrzucasz go na dno morskie. Lód ten istnieje tam dość spokojnie przez wiele tysięcy lat. Hydrat ksenonu posłużył jako wyjaśnienie znieczulenia ksenonowego, hipotezy wysuniętej 60 lat temu przez wielkiego chemika kryształów Linusa Paulinga: faktem jest, że jeśli danej osobie pozwoli się oddychać ksenonem pod niskim ciśnieniem, przestaje odczuwać ból. Był i nadal wydaje się być czasami używany do znieczulenia podczas operacji chirurgicznych. Dlaczego?
Ksenon pod niskim ciśnieniem tworzy związki z cząsteczkami wody, tworząc hydraty gazu, które blokują propagację sygnału elektrycznego w układzie nerwowym człowieka. A sygnał bólowy z operowanej tkanki po prostu nie dociera do mięśni, bo hydrat ksenonu powstaje właśnie o takiej strukturze. To była pierwsza hipoteza, być może prawda jest nieco bardziej skomplikowana, ale nie ma wątpliwości, że prawda jest blisko. Kiedy mówimy o takich porowatych substancjach, nie sposób nie wspomnieć o mikroporowatych krzemianach, tzw. zeolitach, które są bardzo szeroko stosowane w przemyśle do katalizy, a także do oddzielania cząsteczek podczas krakingu oleju. Na przykład cząsteczki oktanu i mezooktanu są doskonale oddzielone zeolitami: mają ten sam wzór chemiczny, ale struktura cząsteczek jest nieco inna: jedna z nich jest długa i cienka, druga jest krótka i gruba. A ta cienka przechodzi przez puste przestrzenie struktury, a ta gruba jest eliminowana, dlatego takie struktury, takie substancje nazywane są sitami molekularnymi. Te sita molekularne służą do oczyszczania wody, w szczególności woda, którą pijemy w naszych kranach musi przejść wielokrotną filtrację, m.in. za pomocą zeolitów. W ten sposób można pozbyć się zanieczyszczeń różnymi substancjami chemicznymi. Zanieczyszczenia chemiczne są czasami niezwykle niebezpieczne. Historia zna przykłady tego, jak zatrucie metalami ciężkimi doprowadziło do bardzo smutnych przykładów historycznych.
Podobno pierwszy cesarz Chin, Qin Shi Huang i Iwan Groźny byli ofiarami zatrucia rtęcią, a tak zwana choroba szalonego kapelusznika została bardzo dobrze zbadana; w XVIII i XIX wieku w Anglii cała klasa ludzi pracując w przemyśle kapeluszniczym bardzo wcześnie zachorował na dziwną chorobę neurologiczną zwaną chorobą szalonego kapelusznika. Ich mowa stała się niespójna, ich działania straciły sens, ich kończyny drżały w niekontrolowany sposób, popadali w demencję i szaleństwo. Ich ciała miały ciągły kontakt z rtęcią, gdy moczyli kapelusze w roztworach soli rtęci, które przedostawały się do ich ciał i wpływały na układ nerwowy. Iwan Groźny był bardzo postępowym, dobrym królem aż do 30 roku życia, po czym z dnia na dzień zmienił się i stał się szalonym tyranem. Kiedy ekshumowano jego ciało, okazało się, że jego kości były poważnie zdeformowane i zawierały ogromne stężenie rtęci. Faktem jest, że car cierpiał na ciężką postać zapalenia stawów i w tym czasie zapalenie stawów leczono wcierając maści rtęciowe - było to jedyne lekarstwo i być może rtęć wyjaśnia dziwne szaleństwo Iwana Groźnego. Qin Shi Huang, człowiek, który stworzył Chiny w ich obecnym kształcie, rządził przez 36 lat, z czego pierwsze 12 lat był marionetką w rękach swojej matki, regentki, jego historia przypomina historię Hamleta. Jego matka i jej kochanek zabili jego ojca, a potem próbowali się go pozbyć. To straszna historia. Ale dorastając, zaczął rządzić sobą - i w ciągu 12 lat przerwał wewnętrzną wojnę między 7 królestwami Chin, która trwała 400 lat, zjednoczył Chiny, zjednoczył wagi, pieniądze, zjednoczył chińskie pismo, zbudował Wielki Mur Chiński, zbudował 6,5 tysiąca kilometrów autostrad, które są nadal w użyciu, kanałów, które są nadal w użyciu, a wszystko to zrobił jeden człowiek, ale w ostatnich latach cierpiał na jakąś dziwną formę maniakalnego szaleństwa. Jego alchemicy, aby uczynić go nieśmiertelnym, dali mu pigułki rtęciowe, wierzyli, że to uczyni go nieśmiertelnym, w rezultacie człowiek ten, najwyraźniej wyróżniający się niezwykłym zdrowiem, zmarł przed osiągnięciem wieku 50 lat, a ostatnie lata życia to krótkie życie zostało przyćmione szaleństwem. Zatrucie ołowiem mogło stać się ofiarą wielu cesarzy rzymskich: w Rzymie znajdował się wodociąg ołowiany, akwedukt i wiadomo, że przy zatruciu ołowiem pewne części mózgu kurczą się, widać to nawet na obrazach tomograficznych, spada inteligencja , IQ spada, osoba staje się bardzo agresywna. Zatrucie ołowiem nadal stanowi duży problem w wielu miastach i krajach. Aby pozbyć się tego rodzaju niepożądanych konsekwencji, musimy opracować nowe materiały oczyszczające środowisko.
Ciekawym materiałem, który nie jest do końca wyjaśniony, są nadprzewodniki. Nadprzewodnictwo odkryto także 100 lat temu. Zjawisko to jest w dużej mierze egzotyczne, zostało odkryte przez przypadek. Po prostu ochłodzili rtęć w ciekłym helu, zmierzyli opór elektryczny, okazało się, że spadł dokładnie do zera, a później okazało się, że nadprzewodniki całkowicie wypychają pole magnetyczne i potrafią lewitować w polu magnetycznym. Te dwie cechy nadprzewodników są dość szeroko stosowane w zastosowaniach zaawansowanych technologii. Wyjaśniono rodzaj nadprzewodnictwa odkrytego 100 lat temu, a jego wyjaśnienie zajęło pół wieku i dzięki temu wyjaśnieniu John Bardeen i jego współpracownicy otrzymali Nagrodę Nobla. Ale potem, w latach 80., już w naszym stuleciu, odkryto nowy rodzaj nadprzewodnictwa, a najlepsze nadprzewodniki należą właśnie do tej klasy - nadprzewodniki wysokotemperaturowe na bazie miedzi. Ciekawostką jest to, że takie nadprzewodnictwo wciąż nie ma wyjaśnienia. Nadprzewodniki mają wiele zastosowań. Na przykład najsilniejsze pola magnetyczne powstają za pomocą nadprzewodników i wykorzystuje się to w obrazowaniu metodą rezonansu magnetycznego. Kolejnym zastosowaniem są pociągi lewitujące magnetycznie, a oto zdjęcie, które osobiście zrobiłem w Szanghaju w takim pociągu - widoczny jest wskaźnik prędkości na poziomie 431 kilometrów na godzinę. Nadprzewodniki są czasami bardzo egzotyczne: nadprzewodniki organiczne, czyli nadprzewodniki na bazie węgla, są znane od nieco ponad 30 lat; okazuje się, że nawet diament można uczynić nadprzewodnikiem, wprowadzając do niego niewielką ilość atomów boru. Grafit może być również nadprzewodnikiem.
Oto interesująca paralela historyczna dotycząca tego, jak właściwości materiałów lub ich nieznajomość mogą mieć fatalne konsekwencje. Dwie historie, które są bardzo piękne, ale najwyraźniej niepoprawne historycznie, ale mimo to je opowiem, bo piękna historia jest czasem lepsza niż prawdziwa historia. W literaturze popularnonaukowej rzeczywiście bardzo często można znaleźć wzmianki o tym, jak skutkiem plagi cyny – a oto jej próbka – zniszczyła wyprawy Napoleona w Rosji i kapitana Scotta na Biegun Południowy. Faktem jest, że cyna w temperaturze 13 stopni Celsjusza ulega przejściu z metalu (jest to biała cyna) do szarej cyny, półprzewodnika, przy czym gęstość gwałtownie spada - a cyna rozpada się. Nazywa się to „plagą cyny” – puszka po prostu rozpada się w pył. Oto historia, której nigdy nie widziałem w pełni wyjaśnionej. Napoleon przybywa do Rosji z 620-tysięczną armią, stoczy tylko kilka stosunkowo małych bitew - a do Borodina dociera zaledwie 150 tysięcy ludzi. Przyjeżdża 620, 150 tys. dociera do Borodina niemal bez walki. Pod Borodino było jeszcze około 40 tysięcy ofiar, następnie wycofanie się z Moskwy - i 5 tysięcy dotarło żywych do Paryża. Nawiasem mówiąc, odwrót również odbył się prawie bez walki. Co się dzieje? Jak można bez walki przejść z 620 tys. do 5 tys.? Są historycy, którzy twierdzą, że wszystkiemu winna jest plaga cyny: guziki umundurowania żołnierzy były zrobione z cyny, puszka rozpadła się, gdy tylko nadeszły mrozy, a żołnierze znaleźli się praktycznie nadzy w rosyjskim mrozie . Problem w tym, że guziki wykonano z brudnej cyny, która jest odporna na plagę cyny.
Bardzo często w prasie popularnonaukowej można spotkać wzmiankę, że kapitan Scott, według różnych wersji, albo przewoził ze sobą samoloty, w których zbiorniki paliwa miały lutowane cyną, albo konserwy w puszkach - puszka ponownie się rozsypała, a wyprawa zmarł z głodu i zimna. Czytałem pamiętniki kapitana Scotta – nie wspomniał o żadnych samolotach, miał jakiś skuter śnieżny, ale znowu nie pisze o zbiorniku paliwa, nie pisze też o konserwach. Zatem te hipotezy najwyraźniej są błędne, ale bardzo interesujące i pouczające. A pamiętanie o działaniu plagi cyny jest w każdym razie przydatne, jeśli wybierasz się do zimnego klimatu.
Tutaj jest inne doświadczenie i tutaj potrzebuję wrzącej wody. Kolejnym efektem związanym z materiałami i ich strukturą, który nie wystąpiłby u nikogo, jest efekt pamięci kształtu, również odkryty zupełnie przez przypadek. Na tej ilustracji widać, że moi koledzy zrobili z tego drutu dwie litery: T U, Politechnika, utwardzali tę formę w wysokich temperaturach. Jeśli utwardzasz kształt w wysokiej temperaturze, materiał zapamięta ten kształt. Można zrobić serce np. podarować je ukochanej osobie i powiedzieć: to serce na zawsze zapamięta moje uczucia... wtedy ten kształt można zniszczyć, ale gdy tylko włoży się je do gorącej wody, kształt powraca, wygląda jak magia. Właśnie złamałeś ten kształt, ale jeśli umieścisz go w gorącej wodzie, kształt zostanie przywrócony. A wszystko to dzieje się dzięki bardzo ciekawej i dość subtelnej transformacji strukturalnej, która zachodzi w tym materiale w temperaturze 60 stopni Celsjusza, dlatego w naszym eksperymencie potrzebna jest gorąca woda. I ta sama przemiana zachodzi w stali, tyle że w stali zachodzi ona zbyt wolno i nie powstaje efekt pamięci kształtu. Wyobraźcie sobie, gdyby stal również wykazała taki efekt, żylibyśmy w zupełnie innym świecie. Efekt pamięci kształtu ma wiele zastosowań: aparaty ortodontyczne, bajpasy serca, części silników w samolotach redukujące hałas, zrosty w rurociągach gazowych i naftowych. Teraz potrzebuję kolejnego wolontariusza. Proszę, jak masz na imię? Vika? Będziemy potrzebować pomocy Vicki z tym drutem, to drut z pamięcią kształtu. Ten sam stop nitinolu, stop niklu i tytanu. Drut ten został hartowany w formie prostego drutu i zapamięta tę formę na zawsze. Vika, weź kawałek tego drutu i przekręć go w każdy możliwy sposób, uczyń go tak pośrednim, jak to możliwe, po prostu nie wiąż żadnych węzłów: węzeł się nie rozwiąże. A teraz zanurz go we wrzącej wodzie, a drut zapamięta ten kształt... no i czy się wyprostował? Efekt ten można obserwować wiecznie, widziałam go już chyba z tysiąc razy, ale za każdym razem jak dziecko patrzę i podziwiam jaki piękny jest efekt. Pochwalmy Vikę. Byłoby wspaniale, gdybyśmy nauczyli się przewidywać takie materiały na komputerze.
A oto właściwości optyczne materiałów, które również są zupełnie nietrywialne. Okazuje się, że wiele materiałów, prawie wszystkie kryształy, dzielą wiązkę światła na dwie wiązki, które poruszają się w różnych kierunkach i z różnymi prędkościami. W rezultacie, jeśli spojrzysz przez kryształ na jakiś napis, napis będzie zawsze nieco podwójny. Ale z reguły jest to nie do odróżnienia dla naszych oczu. W niektórych kryształach efekt ten jest tak silny, że faktycznie widać dwa napisy.
Pytanie od publiczności: Czy powiedziałeś przy różnych prędkościach?
Artem Oganow: Tak, prędkość światła jest stała tylko w próżni. W mediach skondensowanych jest niższa. Co więcej, jesteśmy przyzwyczajeni do myślenia, że każdy materiał ma określony kolor. Rubin jest czerwony, szafir jest niebieski, ale okazuje się, że kolor może zależeć również od kierunku. Ogólnie rzecz biorąc, jedną z głównych cech kryształu jest anizotropia - zależność właściwości od kierunku. Właściwości w tym kierunku i w tym kierunku są różne. Oto mineralny kordieryt, którego kolor zmienia się w różnych kierunkach od brązowo-żółtego do niebieskiego, to jest ten sam kryształ. Czy ktoś mi nie wierzy? Specjalnie przyniosłem kryształ kordierytu, żeby... spójrz, jaki kolor?
Pytanie od publiczności: Wydaje się biały, ale tak...
Artem Oganow: Od światła, takiego jak biały, do fioletu, po prostu obracasz kryształ. Istnieje islandzkia legenda o tym, jak Wikingowie odkryli Amerykę. I wielu historyków widzi w tej legendzie wskazówkę dotyczącą wykorzystania tego efektu. Kiedy Wikingowie zaginęli na środku Oceanu Atlantyckiego, ich król wyjął pewien kamień słoneczny i w półmroku był w stanie określić kierunek na zachód, więc popłynęli do Ameryki. Nikt nie wie, czym jest kamień słoneczny, ale wielu historyków uważa, że kamień słoneczny to to, co Vika trzyma w dłoniach, nawiasem mówiąc, kordieryt znajduje się u wybrzeży Norwegii i za pomocą tego kryształu naprawdę można nawigować w półmroku, w wieczornym świetle, a także na polarnych szerokościach geograficznych. I efekt ten był używany przez Siły Powietrzne USA do lat 50. XX wieku, kiedy to zastąpiono go bardziej zaawansowanymi metodami. A oto kolejny ciekawy efekt - aleksandryt, jeśli ktoś ma ochotę, przyniosłem kryształ syntetycznego aleksandrytu, a jego kolor zmienia się w zależności od źródła światła: dziennego i elektrycznego. I wreszcie kolejny ciekawy efekt, którego naukowcy i historycy sztuki nie mogli zrozumieć przez wiele stuleci. Kielich Likurga to przedmiot, który został wykonany przez rzymskich rzemieślników ponad 2 tysiące lat temu. W świetle rozproszonym miska ta jest zielona, a w świetle przechodzącym czerwona. I udało nam się to zrozumieć dosłownie kilka lat temu. Okazało się, że misa nie została wykonana z czystego szkła, lecz zawierała nanocząsteczki złota, co dało taki efekt. Teraz rozumiemy naturę koloru - kolor jest powiązany z pewnymi zakresami absorpcji, ze strukturą elektronową substancji, a to z kolei jest związane ze strukturą atomową substancji.
Pytanie od publiczności: Czy można wyjaśnić pojęcia „odzwierciedlony” i „przekazany”?
Artem Oganow: Móc! Nawiasem mówiąc, zauważam, że te same widma absorpcji decydują o tym, dlaczego kordieryt ma różne kolory w różnych kierunkach. Faktem jest, że struktura samego kryształu - w szczególności kordierytu - wygląda inaczej w różnych kierunkach, a światło jest inaczej absorbowane w tych kierunkach.
Co to jest światło białe? Jest to całe spektrum od czerwieni do fioletu, a gdy światło przechodzi przez kryształ, część tego zakresu jest pochłaniana. Na przykład kryształ może pochłaniać niebieskie światło, a co się stanie, możesz zobaczyć na podstawie tej tabeli. Jeśli pochłaniasz promienie niebieskie, sygnał wyjściowy będzie pomarańczowy, więc kiedy zobaczysz coś pomarańczowego, wiesz, że pochłania ono w zakresie niebieskim. Światło rozproszone ma miejsce, gdy na stole stoi ta sama filiżanka Likurga, światło pada, a część tego światła rozprasza się i uderza w oczy. Rozpraszanie światła podlega zupełnie innym prawom i w szczególności zależy od wielkości ziarna obiektu. Dzięki rozproszeniu światła niebo jest błękitne. Do wyjaśnienia tych kolorów można zastosować prawo rozpraszania Rayleigha.
Pokazałem ci, jak właściwości są powiązane ze strukturą. Pokrótce rozważymy teraz, jak przewidzieć strukturę kryształu. Oznacza to, że do niedawna problem przewidywania struktur krystalicznych był uważany za nierozwiązywalny. Sam problem jest sformułowany następująco: jak znaleźć taki układ atomów, który zapewni maksymalną stabilność, czyli najniższą energię? Jak to zrobić? Można oczywiście przejrzeć wszystkie opcje rozmieszczenia atomów w przestrzeni, ale okazuje się, że takich opcji jest tak wiele, że nie będziesz miał wystarczająco dużo czasu, aby je przejrzeć; w rzeczywistości nawet dla dość prostych układy, powiedzmy, z 20 atomami, będziesz potrzebować więcej niż czasu życia Wszechświata, aby uporządkować wszystkie możliwe kombinacje na komputerze. Dlatego uważano, że problemu tego nie da się rozwiązać. Niemniej jednak problem ten został rozwiązany kilkoma metodami, a najskuteczniejszą metodę, choć może to zabrzmieć nieskromnie, opracowała moja grupa. Metoda ta nazywa się „Sukces”, „USPEX”, metoda ewolucyjna, algorytm ewolucyjny, którego istotę postaram się teraz wam wyjaśnić. Problem jest równoznaczny ze znalezieniem maksimum globalnego na jakiejś wielowymiarowej powierzchni - dla uproszczenia rozważmy dwuwymiarową powierzchnię, powierzchnię Ziemi, gdzie trzeba znaleźć najwyższą górę bez posiadania map. Ujmę to tak, jak ujął to mój australijski kolega Richard Clegg – jest Australijczykiem, uwielbia kangury i w jego sformułowaniu, wykorzystując kangury, dość nieinteligentne zwierzęta, trzeba określić najwyższy punkt na powierzchni Ziemi. Kangur rozumie tylko proste instrukcje - idź w górę, zejdź na dół. W algorytmie ewolucyjnym zrzucamy losowo grupę kangurów w różne punkty planety i każdemu z nich wydajemy instrukcję: wejdź na szczyt najbliższego wzgórza. I idą. Kiedy na przykład te kangury dotrą do Wzgórz Wróblowych i kiedy dotrą być może do Elbrusu, te z nich, które nie dosięgły wysoko, są eliminowane i strzelane. Przychodzi myśliwy, prawie powiedziałem, artysta, przychodzi myśliwy i strzela, a ci, którzy przeżyli, mają prawo się rozmnażać. Dzięki temu możliwa jest identyfikacja najbardziej obiecujących obszarów z całej przestrzeni poszukiwań. I krok po kroku, strzelając do coraz wyższych kangurów, doprowadzisz populację kangurów do światowego maksimum. Kangury będą rodzić coraz pomyślniejsze potomstwo, myśliwi będą strzelać do kangurów, które wspinają się coraz wyżej i w ten sposób tę populację można po prostu wypędzić na Everest.
I to jest istota metod ewolucyjnych. Dla uproszczenia pomijam szczegóły techniczne dotyczące tego, jak dokładnie to zostało wdrożone. A oto kolejna dwuwymiarowa realizacja tej metody, tutaj jest powierzchnia energii, musimy znaleźć najbardziej niebieski punkt, tutaj są nasze początkowe, losowe struktury - to są pogrubione kropki. Obliczenia natychmiast rozpoznają, które z nich są złe w obszarach czerwonym i żółtym, a które z nich są najbardziej obiecujące: w obszarach niebieskich i zielonkawych. I krok po kroku gęstość testowania najbardziej obiecujących obszarów wzrasta, aż znajdziemy najbardziej odpowiednią, najbardziej stabilną strukturę. Istnieją różne metody przewidywania struktur - metody wyszukiwania losowego, sztucznego wyżarzania i tak dalej, ale ta metoda ewolucyjna okazała się najpotężniejsza.
Najtrudniejszą rzeczą jest spłodzenie potomstwa od rodziców na komputerze. Jak wziąć dwie struktury nadrzędne i zrobić z nich dziecko? W rzeczywistości na komputerze można tworzyć dzieci nie tylko od dwojga rodziców, eksperymentowaliśmy, próbowaliśmy robić dzieci od trzech i czterech. Ale jak się okazuje, nie prowadzi to do niczego dobrego, tak jak w życiu. Dziecko jest w lepszej sytuacji, jeśli ma dwoje rodziców. Nawiasem mówiąc, jeden rodzic też pracuje, optymalnie jest dwóch rodziców, ale trzech lub czterech już nie pracuje. Metoda ewolucyjna ma kilka interesujących cech, które, nawiasem mówiąc, są podobne do ewolucji biologicznej. Widzimy, jak z niedostosowanych, przypadkowych struktur, od których rozpoczynamy obliczenia, w trakcie obliczeń wyłaniają się wysoce zorganizowane, wysoce uporządkowane rozwiązania. Widzimy, że obliczenia są najskuteczniejsze, gdy populacja struktur jest najbardziej zróżnicowana. Najbardziej stabilne i przeżywające populacje to populacje różnorodne. Na przykład w Rosji podoba mi się to, że żyje w niej ponad 150 narodów. Są ludzie jasnowłosi, są ludzie ciemnowłosi, jest cała masa ludzi narodowości kaukaskiej, takich jak ja, a wszystko to zapewnia stabilność i przyszłość rosyjskiej populacji. Monotonne populacje nie mają przyszłości. Można to bardzo wyraźnie zobaczyć na podstawie obliczeń ewolucji.
Czy możemy przewidzieć, że stabilną formą węgla pod ciśnieniem atmosferycznym jest grafit? Tak. To obliczenie jest bardzo szybkie. Ale oprócz grafitu w tych samych obliczeniach produkujemy kilka interesujących, nieco mniej stabilnych rozwiązań. I te rozwiązania też mogą być ciekawe. Jeśli zwiększymy ciśnienie, grafit nie będzie już stabilny. Diament jest stabilny i możemy go również bardzo łatwo znaleźć. Zobacz, jak obliczenia szybko dają diament z nieuporządkowanych struktur początkowych. Zanim jednak zostanie znaleziony diament, powstaje wiele interesujących struktur. Na przykład ta konstrukcja. Podczas gdy diamenty mają pierścienie sześciokątne, tutaj widoczne są pierścienie 5- i 7-kątne. Struktura ta jest tylko nieznacznie gorsza od diamentu pod względem stabilności i początkowo myśleliśmy, że to ciekawostka, ale potem okazało się, że jest to nowa, faktycznie istniejąca forma węgla, którą niedawno odkryliśmy my i nasi koledzy. Obliczeń dokonano dla 1 miliona atmosfer. Jeśli zwiększymy ciśnienie do 20 milionów atmosfer, diament przestanie być stabilny. I zamiast diamentu będzie stabilna bardzo dziwna struktura, o której stabilność dla węgla przy takich ciśnieniach podejrzewano od wielu dziesięcioleci, a nasze obliczenia to potwierdzają.
My i nasi koledzy zrobiliśmy wiele przy użyciu tej metody; oto mały wybór różnych odkryć. Pozwólcie, że opowiem tylko o kilku z nich.
Stosując tę metodę, można zastąpić laboratoryjne odkrywanie materiałów odkryciem komputerowym. W laboratoryjnym odkrywaniu materiałów Edison był niezrównanym mistrzem, który powiedział: „Nie poniosłem 10 tysięcy niepowodzeń, znalazłem tylko 10 tysięcy sposobów, które nie działają”. Mówi Ci, ile prób i nieudanych prób musisz podjąć, zanim dokonasz prawdziwego odkrycia za pomocą tej metody, a przy pomocy projektowania komputerowego możesz osiągnąć sukces w 1 próbie na 1, na 100 na 100, na 10 tysięcy na 10 tys., naszym celem jest zastąpienie metody Edisona czymś znacznie bardziej produktywnym.
Teraz możemy zoptymalizować nie tylko energię, ale każdą nieruchomość. Najprostszą właściwością jest gęstość, a najgęstszym znanym dotychczas materiałem jest diament. Almaz jest rekordzistą pod wieloma względami. Centymetr sześcienny diamentu zawiera więcej atomów niż centymetr sześcienny jakiejkolwiek innej substancji. Diament jest rekordzistą pod względem twardości, a także jest najmniej ściśliwą znaną substancją. Czy te rekordy mogą zostać pobite? Teraz możemy zadać komputerowi to pytanie, a komputer udzieli odpowiedzi. Odpowiedź brzmi: tak, część z tych rekordów można pobić. Okazało się, że dość łatwo przebić diament pod względem gęstości, istnieją gęstsze formy węgla, które mają prawo istnieć, ale nie zostały jeszcze zsyntetyzowane. Te formy węgla przewyższają diament nie tylko pod względem gęstości, ale także właściwości optycznych. Będą miały wyższe współczynniki załamania światła i rozproszenie światła - co to oznacza? Współczynnik załamania światła nadaje diamentowi niezrównaną jasność i wewnętrzne odbicie światła, a rozproszenie światła oznacza, że białe światło zostanie rozdzielone na widmo od czerwieni do fioletu jeszcze bardziej niż diament. Nawiasem mówiąc, materiałem, który często zastępuje diament w przemyśle jubilerskim, jest dwutlenek cyrkonu, tlenek cyrkonu. Jest lepszy od diamentu pod względem rozproszenia światła, ale niestety gorszy od diamentu pod względem blasku. Nowe formy węgla przebiją diament pod obydwoma względami. A co z twardością? Do 2003 roku uważano, że twardość to właściwość, której ludzie nigdy nie nauczą się przewidywać i obliczać.W 2003 roku wszystko się zmieniło dzięki pracom chińskich naukowców i tego lata odwiedziłem Uniwersytet Yangshan w Chinach, gdzie otrzymałem kolejny tytuł profesora honoris causa , i tam odwiedziłem twórcę tej całej teorii. Udało nam się rozwinąć tę teorię.
Poniżej znajduje się tabela pokazująca, jak obliczone oznaczenia twardości zgadzają się z eksperymentem. W przypadku większości normalnych substancji zgodność jest doskonała, ale w przypadku grafitu modele przewidywały, że powinien on być supertwardy, co jest oczywiście fałszywe. Udało nam się zrozumieć i naprawić ten błąd. A teraz, korzystając z tego modelu, możemy wiarygodnie przewidzieć twardość dowolnej substancji i zadać komputerowi pytanie: która substancja jest najtwardsza? Czy można przewyższyć diament pod względem twardości? Ludzie właściwie myśleli o tym od wielu, wielu dziesięcioleci. Jaka jest zatem najtwardsza struktura węgla? Odpowiedź była zniechęcająca: diament, a w węglu nie ma nic trudniejszego. Ale można znaleźć struktury węglowe o twardości zbliżonej do diamentu. Struktury węglowe o twardości zbliżonej do diamentu naprawdę mają prawo istnieć. Jednym z nich jest ten, który pokazałem wcześniej, z kanałami dla 5 i 7 członków. W 2001 roku Dubrovinsky zaproponował w literaturze ultratwardą substancję - dwutlenek tytanu, uważano, że pod względem twardości nie jest dużo gorszy od diamentu, ale pojawiły się wątpliwości. Eksperyment wzbudził spore kontrowersje. Prawie wszystkie pomiary eksperymentalne z tej pracy zostały wcześniej czy później obalone: pomiar twardości był bardzo trudny ze względu na mały rozmiar próbek. Obliczenia wykazały jednak, że w tym eksperymencie twardość również została błędnie zmierzona, a rzeczywista twardość dwutlenku tytanu jest około 3 razy mniejsza niż twierdzili eksperymentatorzy. Tak więc za pomocą tego rodzaju obliczeń można nawet ocenić, który eksperyment jest wiarygodny, a który nie, dzięki czemu obliczenia te osiągnęły obecnie dużą dokładność.
Z węglem wiąże się jeszcze inna historia, którą chciałbym Państwu opowiedzieć – rozwinęła się ona szczególnie szybko w ciągu ostatnich 6 lat. Ale zaczęło się 50 lat temu, kiedy amerykańscy badacze przeprowadzili następujący eksperyment: wzięli grafit i sprasowali go do ciśnienia około 150-200 tysięcy atmosfer. Jeśli grafit zostanie sprężony w wysokich temperaturach, powinien zamienić się w diament, najbardziej stabilną formę węgla pod wysokim ciśnieniem – w ten sposób syntetyzuje się diament. Jeśli przeprowadzisz ten eksperyment w temperaturze pokojowej, diament nie będzie mógł się uformować. Dlaczego? Ponieważ restrukturyzacja wymagana do przekształcenia grafitu w diament jest zbyt duża, struktury są zbyt odmienne, a bariera energetyczna, którą należy pokonać, jest zbyt duża. I zamiast tworzyć się diament, będziemy obserwować powstawanie innej struktury, nie najbardziej stabilnej, ale takiej, która ma najmniejszą barierę formowania. Zaproponowaliśmy taką strukturę - i nazwaliśmy ją M-węglem, jest to ta sama struktura z pierścieniami 5- i 7-członowymi; moi ormiańscy przyjaciele żartobliwie nazywają to „moocarbon-shmoocarbon”. Okazało się, że ta struktura w pełni opisuje wyniki tamtego eksperymentu sprzed 50 lat, który był wielokrotnie powtarzany. Nawiasem mówiąc, eksperyment jest bardzo piękny - ściskając grafit (czarny, miękki, nieprzezroczysty półmetal) w temperaturze pokojowej, pod ciśnieniem, badacze uzyskali przezroczysty, supertwardy niemetal: absolutnie fantastyczna przemiana! Ale to nie jest diament, jego właściwości nie są zgodne z diamentem, a nasza wówczas hipotetyczna struktura w pełni opisywała właściwości tej substancji. Niezmiernie się ucieszyliśmy, napisaliśmy artykuł i opublikowaliśmy go w prestiżowym czasopiśmie Physical Review Letters i dokładnie przez rok spoczęliśmy na laurach. Rok później amerykańscy i japońscy naukowcy odkryli nową strukturę, zupełnie odmienną od tej, z pierścieniami 4- i 8-członowymi. Struktura ta jest zupełnie inna od naszej, ale prawie równie dobrze opisuje dane eksperymentalne. Problem w tym, że dane eksperymentalne miały niską rozdzielczość i pasowało do nich wiele innych struktur. Minęło kolejne sześć miesięcy, Chińczyk o nazwisku Wang zaproponował W-węgiel, a W-węgiel również wyjaśnił dane eksperymentalne. Wkrótce historia stała się groteskowa - dołączyły do niej nowe chińskie grupy, a Chińczycy uwielbiają produkować i wyprodukowali około 40 konstrukcji i wszystkie pasują do danych eksperymentalnych: P-, Q-, R-, S-carbon, Q- węgiel, X -, Y-, Z-węgiel, M10-węgiel jest znany, X'-węgiel i tak dalej - alfabetu już brakuje. Kto więc ma rację? Ogólnie rzecz biorąc, na początku nasz M-carbon miał dokładnie takie same prawa do domagania się słuszności, jak wszyscy inni.
Odpowiedź od publiczności: Wszyscy mają rację.
Artem Oganow: To też się nie zdarza! Faktem jest, że natura zawsze wybiera ekstremalne rozwiązania. Nie tylko ludzie są ekstremistami, ekstremistyczna jest także przyroda. Przy wysokich temperaturach natura wybiera stan najbardziej stabilny, gdyż przy wysokich temperaturach można przejść przez każdą barierę energetyczną, a przy niskich temperaturach natura wybiera najmniejszą barierę, a zwycięzca może być tylko jeden. Mistrz może być tylko jeden – ale kto dokładnie? Można przeprowadzić eksperyment w wysokiej rozdzielczości, ale ludzie próbowali przez 50 lat i nikomu się nie udało, wszystkie wyniki były kiepskiej jakości. Możesz wykonać obliczenia. W obliczeniach można uwzględnić bariery aktywacyjne utrudniające utworzenie wszystkich tych 40 struktur. Ale po pierwsze, Chińczycy wciąż tworzą coraz to nowe struktury i niezależnie od tego, jak bardzo się starasz, wciąż znajdą się Chińczycy, którzy powiedzą: Mam inną strukturę i będziesz je liczyć do końca swojego życia. Aktywacja bariery, dopóki nie zostaniesz wysłany na zasłużony odpoczynek. To jest pierwsza trudność. Druga trudność polega na tym, że obliczenie barier aktywacji jest bardzo, bardzo trudne w przypadku transformacji w stanie stałym, jest to zadanie niezwykle nietrywialne, potrzebne są specjalne metody i potężne komputery. Faktem jest, że przemiany te nie zachodzą w całym krysztale, ale najpierw w małym fragmencie – zarodku, a następnie rozprzestrzeniają się do zarodka i dalej. A modelowanie tego zarodka jest niezwykle trudnym zadaniem. Ale znaleźliśmy taką metodę, opracowaną wcześniej przez austriackich i amerykańskich naukowców, i zaadaptowaliśmy ją do naszego zadania. Udało nam się zmodyfikować tę metodę w taki sposób, że jednym ciosem udało nam się raz na zawsze rozwiązać ten problem. Postawiliśmy problem w następujący sposób: jeśli zaczniesz od grafitu, stan początkowy jest ściśle określony, a stan końcowy jest niejasno zdefiniowany – dowolna czworościenna forma węgla z hybrydyzacją sp3 (a takich stanów spodziewamy się pod ciśnieniem), to która z barier będzie minimalna? Metodą tą można policzyć bariery i znaleźć barierę minimalną, ale jeśli zdefiniujemy stan końcowy jako zespół różnych struktur, wówczas możemy całkowicie rozwiązać problem. Obliczenia rozpoczęliśmy od ścieżki transformacji grafit-diament jako „ziarna”; wiemy, że tej transformacji nie obserwuje się w eksperymencie, ale byliśmy ciekawi, co obliczenia zrobią z tą transformacją. Trochę czekaliśmy (w rzeczywistości obliczenia te trwały sześć miesięcy na superkomputerze) - i obliczenia dały nam węgiel M zamiast diamentu.
Ogólnie muszę powiedzieć, że jestem niezwykle szczęśliwą osobą, miałem 1/40 szans na wygraną, ponieważ było około 40 konstrukcji, które miały równe szanse na wygraną, ale ponownie wyciągnąłem los na loterię. Nasz M-carbon zwyciężył, opublikowaliśmy nasze wyniki w nowym, prestiżowym czasopiśmie Scientific Reports – nowym czasopiśmie grupy Nature, a miesiąc po opublikowaniu naszych wyników teoretycznych, to samo czasopismo opublikowało wyniki eksperymentu o wysokiej rozdzielczości dla otrzymano po raz pierwszy od 50 lat. Naukowcy z Uniwersytetu Yale przeprowadzili eksperyment o wysokiej rozdzielczości i przetestowali wszystkie te struktury i okazało się, że tylko węgiel M spełnia wszystkie dane eksperymentalne. A teraz na liście form węgla znajduje się kolejny eksperymentalnie i teoretycznie ustalony alotrop węgla, M-węgiel.
Wspomnę jeszcze o jednej przemianie alchemicznej. Oczekuje się, że pod ciśnieniem wszystkie substancje zamienią się w metal, prędzej czy później każda substancja stanie się metalem. Co stanie się z substancją, która początkowo jest już metalem? Na przykład sód. Sód to nie tylko metal, ale niesamowity metal, opisany modelem swobodnych elektronów, czyli przypadek graniczny dobrego metalu. Co się stanie, jeśli wyciśniesz sód? Okazuje się, że sód nie będzie już dobrym metalem – początkowo sód zamieni się w metal jednowymiarowy, czyli będzie przewodził prąd tylko w jednym kierunku. Przewidywaliśmy, że przy wyższych ciśnieniach sód całkowicie straci swoją metaliczność i zamieni się w czerwonawo-przezroczysty dielektryk, a jeśli ciśnienie wzrośnie jeszcze bardziej, stanie się bezbarwny jak szkło. A więc - bierzesz srebrny metal, ściskasz go - najpierw zamienia się w zły metal, czarny jak węgiel, ściskaj dalej - zamienia się w czerwonawy przezroczysty kryształ, zewnętrznie przypominający rubin, a potem staje się biały jak szkło. Przewidzieliśmy to, a czasopismo Nature, do którego to napisaliśmy, odmówiło publikacji. Redaktor po kilku dniach zwrócił tekst i stwierdził: nie wierzymy, to zbyt egzotyczne. Znaleźliśmy eksperymentatora Michaiła Eremetsa, który był gotowy przetestować tę prognozę – a oto wynik. Przy ciśnieniu 110 gigapaskali jest to 1,1 miliona atmosfer, jest to nadal metal srebrny, przy 1,5 miliona atmosfer jest to zły metal, czarny jak węgiel. Przy 2 milionach atmosfer jest przezroczystym czerwonawym niemetalem. I już dzięki temu eksperymentowi bardzo łatwo opublikowaliśmy nasze wyniki. To swoją drogą dość egzotyczny stan materii, gdyż elektrony nie są już rozproszone w przestrzeni (jak w metalach) i nie są zlokalizowane na atomach czy wiązaniach (jak w substancjach jonowych i kowalencyjnych) – elektrony walencyjne, które nadawały sód metaliczność, są umieszczone w pustych przestrzeniach, w których nie ma atomów, i są bardzo silnie zlokalizowane. Substancję taką można nazwać elektrykiem, tj. sól, w której rolę ujemnie naładowanych jonów, anionów, odgrywają nie atomy (powiedzmy fluor, chlor, tlen), ale skrzepy o gęstości elektronowej, a nasza forma sodu jest najprostszym i najbardziej uderzającym przykładem znanego elektrodu .
Tego rodzaju obliczenia można również zastosować do zrozumienia istoty wnętrz Ziemi i planet. O stanie wnętrza Ziemi dowiadujemy się głównie z danych pośrednich, z danych sejsmologicznych. Wiemy, że istnieje metaliczny rdzeń Ziemi, składający się głównie z żelaza, oraz niemetaliczna powłoka, składająca się z krzemianów magnezu, zwana płaszczem, a na samej powierzchni znajduje się cienka skorupa ziemi, na której żyjemy , i które znamy bardzo dobrze. A wnętrze Ziemi jest nam prawie całkowicie nieznane. Poprzez bezpośrednie badania możemy zbadać tylko samą powierzchnię Ziemi. Najgłębszą studnią jest supergłęboka studnia Kola, jej głębokość wynosi 12,3 km, wywiercona w ZSRR, nikt nie mógł wiercić dalej. Amerykanie próbowali wiercić, zbankrutowali przy tym projekcie i go zatrzymali. Zainwestowali ogromne sumy w ZSRR, odwiercili do 12 kilometrów, potem nastąpiła pierestrojka i projekt został zamrożony. Ale promień Ziemi jest 500 razy większy, a nawet supergłęboka studnia Kola została wywiercona tylko na samą powierzchnię planety. Ale istota głębin Ziemi determinuje oblicze Ziemi: trzęsienia ziemi, wulkanizm, dryf kontynentalny. W jądrze Ziemi powstaje pole magnetyczne, do którego nigdy nie dotrzemy. Konwekcja stopionego jądra zewnętrznego Ziemi jest odpowiedzialna za powstawanie pola magnetycznego Ziemi. Nawiasem mówiąc, wewnętrzne jądro Ziemi jest stałe, a zewnętrzne jest stopione, jest jak cukierek czekoladowy z roztopioną czekoladą, a w środku jest orzech - tak można sobie wyobrazić rdzeń Ziemi. Konwekcja stałego płaszcza Ziemi jest bardzo powolna, jej prędkość wynosi około 1 centymetr na rok; gorętsze prądy idą w górę, zimniejsze opadają. Jest to ruch konwekcyjny płaszcza Ziemi, odpowiedzialny za dryf kontynentów, wulkanizm i trzęsienia ziemi.
Ważnym pytaniem jest, jaka jest temperatura w centrum Ziemi? Znamy ciśnienie z modeli sejsmologicznych, ale modele te nie podają temperatury. Temperaturę definiuje się w następujący sposób: wiemy, że rdzeń wewnętrzny jest stały, rdzeń zewnętrzny jest płynny i że rdzeń jest wykonany z żelaza. Jeśli więc znasz temperaturę topnienia żelaza na tej głębokości, znasz także temperaturę rdzenia na tej głębokości. Przeprowadzono eksperymenty, ale dały one niepewność 2 tysięcy stopni, wykonano obliczenia i obliczenia położyły kres temu problemowi. Temperatura topnienia żelaza na granicy jądra wewnętrznego i zewnętrznego wynosiła około 6,4 tysiąca stopni Kelvina. Kiedy jednak geofizycy dowiedzieli się o tym wyniku, okazało się, że temperatura ta była zbyt wysoka, aby poprawnie odtworzyć charakterystykę pola magnetycznego Ziemi – ta temperatura była zbyt wysoka. A potem fizycy przypomnieli sobie, że w rzeczywistości rdzeń nie jest czystym żelazem, ale zawiera różne zanieczyszczenia. Nadal nie wiemy dokładnie które, ale wśród kandydatów są tlen, krzem, siarka, węgiel i wodór. Zmieniając różne zanieczyszczenia i porównując ich działanie, można było zrozumieć, że temperaturę topnienia należy obniżyć o około 800 stopni. 5600 stopni Kelwina to temperatura na granicy wewnętrznego i zewnętrznego jądra Ziemi i szacunki te są obecnie powszechnie akceptowane. Ten efekt obniżenia temperatury przez zanieczyszczenia, eutektyczne obniżenie temperatury topnienia, jest dobrze znany, przez co nasze buty cierpią zimą - drogi posypuje się solą, aby obniżyć temperaturę topnienia śniegu, i dzięki temu , stały śnieg i lód zamieniają się w stan ciekły, a nasze buty cierpią od tej słonej wody.
Ale być może najpotężniejszym przykładem tego samego zjawiska jest stop Wooda - stop, który składa się z czterech metali, są tam bizmut, ołów, cyna i kadm, każdy z tych metali ma stosunkowo wysoką temperaturę topnienia, ale efekt wzajemnego obniżenia temperatura topnienia działa tak dobrze, że stop Wooda topi się we wrzącej wodzie. Kto ma ochotę na taki eksperyment? Swoją drogą tę próbkę stopu Wood'sa kupiłem w Erewaniu na czarnym rynku, co zapewne doda temu doświadczeniu dodatkowego smaczku.
Zalej wrzącą wodą, a ja potrzymam stop Wooda, a zobaczysz, jak krople stopu Wooda wpadną do szklanki.
Krople spadają - to wystarczy. Topi się w temperaturze gorącej wody.
Efekt ten występuje w jądrze Ziemi, dlatego temperatura topnienia stopu żelaza spada. Ale teraz następne pytanie brzmi: z czego składa się rdzeń? Wiemy, że jest tam dużo żelaza i są lekkie pierwiastki śladowe, mamy 5 kandydatów. Zaczęliśmy od najmniej prawdopodobnych kandydatów – węgla i wodoru. Trzeba przyznać, że do niedawna na tych kandydatów mało kto zwracał uwagę, obaj uważali za mało prawdopodobnych. Postanowiliśmy to sprawdzić. Razem z Zulfiją Bazhanovą, pracownicą Moskiewskiego Uniwersytetu Państwowego, postanowiliśmy zająć się tym tematem, aby przewidzieć stabilne struktury i stabilny skład węglików i wodorków żelaza w warunkach jądra Ziemi. Zrobiliśmy to także dla krzemu, gdzie nie znaleźliśmy żadnych specjalnych niespodzianek, natomiast w przypadku węgla okazało się, że te związki, które przez wiele dziesięcioleci uważano za stabilne, w rzeczywistości okazują się niestabilne przy ciśnieniach jądra Ziemi. Okazuje się, że węgiel jest bardzo dobrym kandydatem, w rzeczywistości sam węgiel może doskonale wyjaśnić wiele właściwości wewnętrznego jądra Ziemi, w przeciwieństwie do wcześniejszych prac. Wodór okazał się raczej kiepskim kandydatem; sam wodór nie jest w stanie wyjaśnić ani jednej właściwości jądra Ziemi. Wodór może występować w niewielkich ilościach, ale nie może być głównym pierwiastkiem śladowym w jądrze Ziemi. W przypadku wodorowodorów pod ciśnieniem odkryliśmy niespodziankę - okazało się, że istnieje stabilny związek o wzorze sprzecznym ze szkolną chemią. Zwykły chemik napisze wzór na wodorowodory jako FeH 2 i FeH 3; ogólnie rzecz biorąc, FeH również pojawia się pod ciśnieniem i pogodził się z tym - ale fakt, że FeH 4 może pojawiać się pod ciśnieniem, był prawdziwym zaskoczeniem. Jeśli nasze dzieci napiszą w szkole wzór FeH 4, gwarantuję, że dostaną złą ocenę z chemii, najprawdopodobniej nawet na ćwiartkę. Okazuje się jednak, że pod presją łamane są zasady chemii - i powstają takie egzotyczne związki. Ale, jak już powiedziałem, jest mało prawdopodobne, aby wodorki żelaza miały znaczenie dla wnętrza Ziemi; wodór prawdopodobnie nie będzie tam obecny w znaczących ilościach, ale najprawdopodobniej będzie obecny węgiel.
I wreszcie ostatnia ilustracja dotyczy płaszcza Ziemi, a właściwie granicy pomiędzy jądrem a płaszczem, tzw. warstwy „D”, która ma bardzo dziwne właściwości. Jedną z właściwości była anizotropia propagacji fal sejsmicznych, fal dźwiękowych: w kierunku pionowym i poziomym prędkości różnią się znacznie. Dlaczego tak jest? Przez długi czas nie można było tego zrozumieć. Okazuje się, że w warstwie na granicy jądra i płaszcza Ziemi tworzy się nowa struktura krzemianu magnezu. Udało nam się to zrozumieć 8 lat temu. W tym samym czasie my i nasi japońscy koledzy opublikowaliśmy 2 artykuły w Science i Nature, które udowodniły istnienie tej nowej struktury. Od razu widać, że struktura ta wygląda zupełnie inaczej w różnych kierunkach, a jej właściwości powinny różnić się w różnych kierunkach - w tym właściwości sprężyste, które odpowiadają za propagację fal dźwiękowych. Za pomocą tej struktury możliwe było wyjaśnienie wszystkich anomalii fizycznych, które zostały odkryte i sprawiały problemy przez wiele, wiele lat. Można było nawet poczynić kilka przewidywań.
W szczególności mniejsze planety, takie jak Merkury i Mars, nie będą miały warstwy takiej jak warstwa D. Nie ma tam wystarczającego ciśnienia, aby ustabilizować tę konstrukcję. Można było także przewidzieć, że w miarę ochładzania się Ziemi warstwa ta powinna rosnąć, gdyż stabilność poperowskitu wzrasta wraz ze spadkiem temperatury. Możliwe, że gdy powstawała Ziemia, warstwa ta w ogóle nie istniała, lecz narodziła się we wczesnej fazie rozwoju naszej planety. A wszystko to można zrozumieć dzięki przewidywaniom nowych struktur substancji krystalicznych.
Odpowiedź od publiczności: Dzięki algorytmowi genetycznemu.
Artem Oganow: Tak, chociaż ta najnowsza historia o postperowskicie poprzedziła wynalezienie tej ewolucyjnej metody. Nawiasem mówiąc, skłoniła mnie do wynalezienia tej metody.
Odpowiedź od publiczności: Zatem ten algorytm genetyczny ma 100 lat i nie zrobili nic innego.
Artem Oganow: Algorytm ten został stworzony przeze mnie i mojego absolwenta w 2006 roku. Nawiasem mówiąc, nazywanie tego „genetycznym” jest błędne; bardziej poprawna nazwa to „ewolucyjna”. Algorytmy ewolucyjne pojawiły się w latach 70-tych i znalazły zastosowanie w wielu dziedzinach techniki i nauki. Na przykład samochody, statki i samoloty - są optymalizowane za pomocą algorytmów ewolucyjnych. Ale dla każdego nowego problemu algorytm ewolucyjny jest zupełnie inny. Algorytmy ewolucyjne to nie jedna metoda, ale ogromna grupa metod, cały ogromny obszar matematyki stosowanej i dla każdego nowego rodzaju problemu trzeba wymyślić nowe podejście.
Odpowiedź od publiczności: Jaka matematyka? To genetyka.
Artem Oganow: To nie jest genetyka – to jest matematyka. I dla każdego nowego problemu musisz wymyślić nowy algorytm od zera. A ludzie przed nami próbowali wynaleźć algorytmy ewolucyjne i zaadaptować je do przewidywania struktur kryształów. Ale algorytmy z innych dziedzin potraktowano zbyt dosłownie – i to nie zadziałało, więc musieliśmy od zera stworzyć nową metodę, która okazała się bardzo potężna. Chociaż dziedzina algorytmów ewolucyjnych istnieje mniej więcej tak długo, jak ja – przynajmniej od 1975 roku – przewidywanie struktur krystalicznych wymagało sporo wysiłku, aby stworzyć działającą metodę.
Wszystkie te przykłady, które Ci podałem pokazują, jak zrozumienie struktury materii i umiejętność przewidywania jej struktury prowadzi do projektowania nowych materiałów, które mogą mieć ciekawe właściwości optyczne, właściwości mechaniczne, właściwości elektroniczne. Materiały tworzące wnętrze Ziemi i innych planet. W takim przypadku za pomocą tych metod możesz rozwiązać cały szereg interesujących problemów na komputerze. Ogromny wkład w rozwój tej metody i jej zastosowania wnieśli moi współpracownicy i ponad 1000 użytkowników naszej metody w różnych częściach świata. Wszystkim tym osobom i organizatorom tego wykładu pragnę serdecznie podziękować za uwagę.
Dyskusja na temat wykładu
Borys Dołgin: Wielkie dzięki! Dziękuję bardzo Artem, dziękuję bardzo organizatorom, którzy udostępnili nam platformę dla tej wersji wykładów publicznych, bardzo dziękuję RVC, które wsparło nas w tej inicjatywie, jestem pewien, że badania Artema będą kontynuowane, co oznacza, że do jego wykładu pojawi się nowy materiał tutaj, bo trzeba powiedzieć, że część z tego, co dzisiaj usłyszano, w czasach poprzednich wykładów faktycznie nie istniała, więc ma to sens.
Pytanie od publiczności: Proszę o informację jak zapewnić temperaturę pokojową przy tak wysokim ciśnieniu? Każdemu systemowi odkształcenia plastycznego towarzyszy wydzielanie ciepła. Niestety, nie wspomniałeś o tym.
Artem Oganow: Rzecz w tym, że wszystko zależy od tego, jak szybko wykonasz kompresję. Jeśli kompresja odbywa się bardzo szybko, na przykład podczas fal uderzeniowych, wówczas koniecznie towarzyszy jej ogrzewanie, a ostra kompresja koniecznie prowadzi do wzrostu temperatury. Jeśli kompresowanie będzie wykonywane powoli, próbka będzie miała wystarczająco dużo czasu na wymianę ciepła z otoczeniem i osiągnięcie równowagi termicznej z otoczeniem.
Pytanie od publiczności: A czy Twoja instalacja Ci na to pozwoliła?
Artem Oganow: Eksperyment nie był przeze mnie prowadzony, wykonałem jedynie obliczenia i teorię. Nie pozwalam sobie na eksperymenty ze względu na wewnętrzną cenzurę. Eksperyment przeprowadzono w komorach z kowadłami diamentowymi, gdzie próbkę ściska się pomiędzy dwoma małymi diamentami. W takich eksperymentach próbka ma tak dużo czasu na osiągnięcie równowagi termicznej, że pytanie nie pojawia się.
Artem Oganov, jeden z najczęściej cytowanych mineralogów teoretycznych na świecie, opowiedział nam o przewidywaniu komputerowym, które niedawno stało się możliwe. Wcześniej problemu tego nie dało się rozwiązać, gdyż problem komputerowego projektowania nowych materiałów obejmuje problem struktur krystalicznych, który uznawano za nierozwiązywalny. Ale dzięki wysiłkom Oganowa i jego współpracowników udało im się zbliżyć do tego marzenia i urzeczywistnić je.
Dlaczego to zadanie jest ważne: Wcześniej nowe substancje wytwarzano bardzo długo i z dużym wysiłkiem.
Artem Oganov: „Eksperymentatorzy idą do laboratorium. Mieszaj różne substancje w różnych temperaturach i ciśnieniach. Zdobądź nowe substancje. Mierzone są ich właściwości. Z reguły substancje te nie są interesujące i są odrzucane. Eksperymentatorzy ponownie próbują uzyskać nieco inną substancję w innych warunkach, o nieco innym składzie. I tak krok po kroku pokonujemy wiele niepowodzeń, poświęcając na to lata życia. Okazuje się, że badacze w nadziei na zdobycie jednego materiału poświęcają ogromną ilość wysiłku, czasu, a także pieniędzy. Proces ten może trwać latami. Może się to okazać ślepą uliczką i nigdy nie doprowadzić do odkrycia potrzebnego materiału. Ale nawet jeśli prowadzi to do sukcesu, ten sukces ma bardzo wysoką cenę.
Dlatego konieczne jest stworzenie technologii, która będzie w stanie dokonywać bezbłędnych prognoz. Oznacza to, że nie eksperymentuj w laboratoriach, ale daj komputerowi zadanie przewidzenia, który materiał, przy jakim składzie i temperaturze będzie miał pożądane właściwości w określonych warunkach. A komputer, przeglądając liczne opcje, będzie w stanie odpowiedzieć, jaki skład chemiczny i jaka struktura krystaliczna spełni zadane wymagania. W rezultacie może się zdarzyć, że materiał, którego szukasz, nie istnieje. Albo istnieje i nie jest sam.
I tu pojawia się drugi problem, którego rozwiązanie nie zostało jeszcze rozwiązane: jak zdobyć ten materiał? Oznacza to, że skład chemiczny i struktura krystaliczna są jasne, ale nadal nie ma możliwości wdrożenia tego na przykład na skalę przemysłową.
Technologia przewidywania
Najważniejszą rzeczą, którą należy przewidzieć, jest struktura kryształu. Wcześniej nie można było rozwiązać tego problemu, ponieważ istnieje wiele opcji rozmieszczenia atomów w przestrzeni. Jednak zdecydowana większość z nich nie jest interesująca. Ważne są te możliwości rozmieszczenia atomów w przestrzeni, które są wystarczająco stabilne i posiadają właściwości niezbędne badaczowi.
Jakie są te właściwości: wysoka lub niska twardość, przewodność elektryczna i przewodność cieplna i tak dalej. Struktura kryształu jest ważna.
„Jeśli myślisz o, powiedzmy, węglu, spójrz na diament i grafit. Chemicznie są tą samą substancją. Ale właściwości są zupełnie inne. Czarny super miękki węgiel i przezroczysty super twardy diament – jaka jest między nimi różnica? To jest struktura krystaliczna. To dzięki niemu jedna substancja jest supertwarda, a druga supermiękka. Jeden jest przewodnikiem prawie metalowym. Drugi to dielektryk.
Aby nauczyć się przewidywać nowy materiał, musisz najpierw nauczyć się przewidywać strukturę kryształu. W tym celu Oganov i jego współpracownicy zaproponowali w 2006 roku podejście ewolucyjne.
„W tym podejściu nie próbujemy wypróbowywać całej nieskończonej różnorodności struktur krystalicznych. Spróbujemy tego krok po kroku, zaczynając od małej losowej próby, w ramach której oceniamy możliwe rozwiązania, odrzucając najgorsze. A z najlepszych produkujemy warianty pomocnicze. Warianty potomne powstają w wyniku różnych mutacji lub poprzez rekombinację - poprzez dziedziczność, gdzie od dwojga rodziców łączymy różne cechy strukturalne kompozycji. Z tego wynika struktura potomna – materiał potomny, skład chemiczny potomny, struktura potomna. Następnie ocenia się także te związki pomocnicze. Na przykład według stabilności lub właściwości chemicznych lub fizycznych, które Cię interesują. Odrzucamy te, które zostały uznane za nierentowne. Te, które okażą się obiecujące, otrzymują prawo do rodzenia potomstwa. Przez mutację lub dziedziczność tworzymy następne pokolenie.”
Zatem krok po kroku naukowcy zbliżają się do optymalnego dla nich materiału pod względem danej właściwości fizycznej. Podejście ewolucyjne w tym przypadku działa podobnie jak teoria ewolucji Darwina; Oganov i jego współpracownicy wdrażają tę zasadę na komputerze w poszukiwaniu struktur krystalicznych optymalnych z punktu widzenia danej właściwości lub stabilności.
„Mogę też powiedzieć (ale to już trochę na granicy chuligaństwa), że kiedy opracowywaliśmy tę metodę (swoją drogą rozwój trwa. Była ona coraz bardziej udoskonalana), eksperymentowaliśmy z różnymi metodami ewolucji. Na przykład próbowaliśmy spłodzić jedno dziecko nie z dwojga rodziców, ale z trzech lub czterech. Okazało się, że tak jak w życiu, optymalnie jest urodzić jedno dziecko z dwojga rodziców. Jedno dziecko ma dwoje rodziców – ojca i matkę. Nie trzy, nie cztery, nie dwadzieścia cztery. Jest to optymalne rozwiązanie zarówno w naturze, jak i na komputerze.”
Oganov opatentował swoją metodę i obecnie wykorzystuje ją prawie tysiące badaczy na całym świecie oraz kilka największych firm, takich jak Intel, Toyota i Fujitsu. Toyota na przykład, zdaniem Oganowa, od jakiegoś czasu wykorzystuje tę metodę do wynalezienia nowego materiału na akumulatory litowe, które będą stosowane w samochodach hybrydowych.
Problem z diamentem
Uważa się, że diament, będący rekordzistą twardości, jest optymalnym materiałem supertwardym do wszelkich zastosowań. Tak jednak nie jest, bo np. w żelazie rozpuszcza się, natomiast w środowisku tlenowym w wysokich temperaturach spala się. Ogólnie rzecz biorąc, poszukiwanie materiału twardszego od diamentu niepokoiło ludzkość od wielu dziesięcioleci.
„Proste obliczenia komputerowe przeprowadzone przez moją grupę pokazują, że taki materiał nie może istnieć. Tak naprawdę jedyną rzeczą twardszą od diamentu może być diament, ale w postaci nanokrystalicznej. Inne materiały nie są w stanie pokonać diamentu pod względem twardości.”
Innym kierunkiem grupy Oganowa jest przewidywanie nowych materiałów dielektrycznych, które mogłyby posłużyć za podstawę superkondensatorów do magazynowania energii elektrycznej, a także do dalszej miniaturyzacji mikroprocesorów komputerowych.
„Ta miniaturyzacja faktycznie napotyka przeszkody. Ponieważ istniejące materiały dielektryczne dość słabo wytrzymują ładunki elektryczne. Przeciekają. A dalsza miniaturyzacja jest niemożliwa. Jeśli uda nam się uzyskać materiał, który przylega do krzemu, ale jednocześnie ma znacznie wyższą stałą dielektryczną niż materiały, którymi dysponujemy, to możemy rozwiązać ten problem. Również w tym kierunku poczyniliśmy całkiem poważne postępy.”
A ostatnią rzeczą, jaką robi Oganov, jest opracowywanie nowych leków, czyli także ich przewidywanie. Jest to możliwe dzięki temu, że naukowcy nauczyli się przewidywać strukturę i skład chemiczny powierzchni kryształów.
„Faktem jest, że powierzchnia kryształu często ma skład chemiczny różniący się od substancji samego kryształu. Struktura jest również bardzo często radykalnie inna. Odkryliśmy, że powierzchnie prostych, pozornie obojętnych kryształów tlenku (takich jak tlenek magnezu) zawierają bardzo interesujące jony (takie jak jon nadtlenkowy). Zawierają również grupy podobne do ozonu, składające się z trzech atomów tlenu. Wyjaśnia to jedną niezwykle interesującą i ważną obserwację. Kiedy człowiek wdycha drobne cząsteczki minerałów tlenkowych, które pozornie są obojętne, bezpieczne i nieszkodliwe, cząsteczki te stanowią okrutny żart i przyczyniają się do rozwoju raka płuc. W szczególności wiadomo, że azbest, który jest wyjątkowo obojętny, jest substancją rakotwórczą. Tak więc na powierzchni takich minerałów jak azbest i kwarc (zwłaszcza kwarc) mogą tworzyć się jony nadtlenkowe, które odgrywają kluczową rolę w powstawaniu i rozwoju raka. Stosując naszą technikę możliwe jest również przewidzenie warunków, w których można uniknąć powstawania tego rodzaju cząstek. Oznacza to, że istnieje nadzieja na znalezienie terapii i profilaktyki raka płuc. W tym przypadku mówimy tylko o raku płuc. I w zupełnie nieoczekiwany sposób wyniki naszych badań pozwoliły zrozumieć, a może nawet zapobiec lub wyleczyć raka płuc”.
Podsumowując, przewidywanie struktur krystalicznych może odegrać kluczową rolę w projektowaniu materiałów zarówno dla mikroelektroniki, jak i farmaceutyki. Ogólnie rzecz biorąc, technologia ta otwiera nową ścieżkę w technologii przyszłości, jest pewien Oganov.
O innych obszarach laboratorium Artema możesz przeczytać pod linkiem, a także przeczytać jego książkę Nowoczesne metody przewidywania struktury kryształu