Это успех

«Одним из главных прорывов науки XX века я считаю то, что появилась возможность расшифровывать кристаллические структуры. Такими же методами, кстати, расшифровали структуру ДНК, и это позволило понять, как она работает в качестве переносчика генетической информации»,  — объясняет Артем Оганов. 

 

Кристаллы — это твердые тела с упорядоченной атомной структурой, в которой можно выделить периодически повторяющийся в пространстве параллелепипед (элементарную ячейку). Это известно уже больше ста лет, но для дизайна материалов нужно не расшифровывать структуру уже существующего вещества, а предсказывать строение еще неполученного. Долгое время считалось: это в принципе невозможно, и такой пессимизм легко понять. В принципе, ученые могли бы сконструировать разные положения атомов в пространстве и найти среди них структуру с самой низкой энергией (то есть самую устойчивую), но это занимает слишком много времени. Даже для простых элементарных ячеек из десяти атомов потребуется около тысячи лет на решение задачи. Более того, сложность экспоненциально возрастает с увеличением количества частиц — системы с тридцатью будут обрабатываться дольше, чем существует Вселенная. Разумеется, с такой проблемой не справится ни один компьютер.

 

К счастью, эту задачу можно осилить, если не пытаться решить её «в лоб»: не нужно перебирать все варианты, достаточно изобрести способ, который приведет к структуре с минимумом энергии. Сделать это удалось команде Артема Оганова: с этой работой справляется созданный ими эволюционный алгоритм USPEX (Universal Structure Predictor: Evolutionary Xtallography — универсальный предсказатель структур на основе эволюционной кристаллографии). Метод работает на сочетании поискового алгоритма и квантомеханических расчетов, которые увеличивают точность. Теперь ученые могут предсказывать структуры трех- и двумерных кристаллов, их поверхностей, полимеров, наночастиц и механизмы фазовых переходов.

 

Сами эволюционные алгоритмы существуют повсеместно и относятся к области искусственного интеллекта, потому что учатся на собственной истории, на своих же результатах. Принцип действия заключается в том, что изначально существует набор разных решений, из которых программа постепенно убирает худшие, а из лучших производит «потомство», и так из поколения в поколение. В результате алгоритм сужает область поиска, концентрируясь на наиболее перспективных вариантах. Так работает и USPEX. 

 

Создавать потомство можно двумя путями. Первый — это скрещивание. Из двух «родителей» вырезаются куски (в них содержится информация о том, какие связи предпочитают образовывать атомы), из которых потом сшивается «ребенок». Но можно пойти и другим путем — получать «потомство» от одного предка: для мутации выбирается ряд переменных и по ним сильно трансформируется исходная структура. 

 

Сейчас ученые могут не только предсказывать структуру по заданной химической формуле, но и саму формулу: зная нужные химические элементы, алгоритм определит все стабильные соединения, которые могут быть из них образованы. 

 

Конечно, как и у любого метода, есть ограничения: сейчас абсолютное ограничение по сложности — около 150-200 атомов в элементарной ячейке, что, впрочем, с лихвой покрывает почти все необходимые для изучения материалы. Например, ученые предсказали структуру силицида лития, его новую фазу, полученную под давлением, — Li12S4 с 152 атомами в ячейке. Этот материал может быть полезен для литий-ионных аккумуляторов. Среди других достижений USPEX числится метастабильная структура кремния, на порядок лучше поглощающая свет, чем тот Si, который сейчас используется в солнечных батареях. Эта фаза уже была получена экспериментально, хотя и в очень маленьких объемах, путем микровзрыва.  

 

Теория может не только опережать эксперимент, но и поправлять его. Например, предсказанная на USPEX структура MnB4 отличалась от полученной в лаборатории, и сделанные позже проверки подтвердили правоту алгоритма. Более того, ученые не замечали соединение МnB3 до тех пор, пока его строение не описала программа. Сейчас USPEX может показать множество «белых пятен» — веществ с интересными свойствами, которые почему-то были пропущены исследователями. 

 

Кроме того, программа учится: сегодня она может найти среди всех возможных элементов периодической таблицы соединение с заданным свойством — этот метод получил название «менделеевский поиск». Для такого рода дизайна материалов одного критерия недостаточно: например, твердое, но крайне нестабильное вещество будет бесполезно. Это привело ученых к концепции мультикритериальной оптимизации, которую еще сто лет назад разработал итальянский экономист Вильфредо Парето (он также знаменит правилом 80/20, гласящим, что 80 % работы всегда делает 20 % человек), и теперь USPEX способен искать соединения по нескольким параметрам.

 

По словам Артема Оганова, не так давно ученые задались целью получить сильные магниты, не содержащие редкоземельных элементов. Сейчас это актуально, потому что практически все месторождения последних монополизированы Китаем, и цена слишком высока. Такая задача кажется вполне выполнимой: сами «редкие земли» не несут магнитного момента, они лишь играют роль тяжелого атома, то есть задают релятивистский эффект, который ответственен за фиксацию магнитного момента в пространстве, и их можно заменить, например, свинцом, вольфрамом или висмутом. Так ученые нашли новую фазу — WMnB2, чьи свойства ненамного уступают сильным магнитам на основе «редких земель», и при этом выгоднее по цене почти в два раза. 

 

Сейчас у программы около четырех тысяч пользователей по всему миру. Китайские ученые с помощью USPEX предсказали, что при высоком давлении сероводород (H2S) станет неустойчивым и возникнет неклассическое соединение H3S. Самое интересное, оно будет самым высокотемпературным сверхпроводником с температурой в 200 К (-73° С, такие условия бывают на Земле). Для научного сообщества это предсказание было настолько шокирующим, что его просто проигнорировали, но когда германско-российская группа экспериментаторов все-таки решила провести эксперимент, то доказала его существование.

 

«Надеюсь, всё это убедило вас в том, что теоретическое материаловедение — это огромное поле для деятельности, где большим открытиям суждено сбыться в ближайшие годы», — подвел итоги лекции Артем Оганов.

   

   

Источник: sbras.info