Artem Oganan. Компютърна конструкция на нови материали: мечта или реалност? Лаборатория по компютърни материали: Какво мога да дам на USPEX? Компютърна конструкция на нови материали

Артем Оганов, един от най-цитираните минерали на теоретичните теоретични продукти на света, ни каза за компютърната прогноза, която стана толкова отдавна постигната. Преди това тази задача не беше възможна да се реши, защото проблемът с компютърния дизайн на нови материали включва неразрешен проблем с кристални структури. Но благодарение на усилията на Оганова и колегите му успяха да се доближат до този сън и да я въплъщават в реалност.

Защо тази задача е важна: преди, нови вещества бяха разработени за много дълго време и много усилия.

Артем Оганов: "Експериментаторите отиват в лабораторията. Разбъркайте различни вещества за различни температури и натиск. Получават нови вещества. Измерване на техните свойства. Като правило тези вещества не представляват интерес, отхвърлен. И експериментаторите се опитват отново, за да получат малко по-различно вещество при други условия, с малко по-различен състав. И така стъпка по стъпка, ние преодоляваме много неуспехи, прекарвайки живота ви за тази година. Оказва се, че изследователите, с надеждата да получат един материал, да прекарат огромно количество усилия, време, както и пари. Този процес може да отнеме години. Тя може да бъде задънена улица и никога не води до отваряне на желания материал. Но дори когато води до успех, този успех се дава от много скъпа цена. "

Ето защо е необходимо да се създаде такава технология, която може да направи прогнозите без грешки. Това не е експериментиране в лабораториите, но да се даде задача на компютъра да предскаже какъв материал, какъв състав и температура ще има желаните свойства, когато определени условия. И компютърът, превръщането на многобройни опции, ще може да отговори на какъв вид химичен състав и коя кристална структура ще отговори на посочените изисквания. Резултатът може да бъде такъв, че желаният материал не съществува. Или той не е сам.
И тогава възниква второто предизвикателство, решението на което все още не е: как да се получи този материал? Това е, химическият състав, кристалната структура е разбираем, но все още няма възможност да се приложи например, например в индустриален мащаб.

Технология за прогнозиране

Основното е, че е необходимо да се предскаже кристална структура. Преди това не беше възможно да се реши този проблем, защото има много възможности за местоположението на атомите в пространството. Но огромната част не представлява никакъв интерес. Тези изпълнения на атомите в пространството са важни, които са достатъчно стабилни и имат необходимите свойства за изследователя.
Какви са тези свойства: висока или ниска твърдост, електрическа проводимост и топлопроводимост и т.н. Кристалната структура е важна.

- Ако мислите, кажете, за същия въглерод, погледнете диаманта и графита. Химически това е същото вещество. Но свойствата са напълно различни. Черният супер би могъл да има въглерод и прозрачен супер твърд диамант, - какво определя разликата между тях? Това е кристалната структура. Това се дължи на едно вещество е суперхард, а другият е супер. Един е диригент на практически метал. Друг е диелектрик.

За да се научите да предсказвате нов материал, първо трябва да се научите да предсказвате кристалната структура. За това, Ohanov и неговите колеги през 2006 г. беше предложен еволюционен подход.

"В този подход не се опитваме да изпробваме всички безкрайни многокристални структури. Ще го проверим стъпка по стъпка, като започнем с малка случайна извадка, вътре в кой ранг възможни решения, най-лошото, от което се изхвърляме. И от най-добрите, ние произвеждаме дъщерни дружества. Дъщерни дружества са направени от различни мутации или от рекомбинации - от наследственост, където съчетаваме различни структурни особености на състава от двама родители. От това дъщерно дружество е дъщерно дружество, химически състав на дете, дъщерно дружество. Тези дъщерни дружества също се оценяват. Например, при стабилност или от химическата или физическата собственост, която ви интересува. И тези, които бяха изразени неблагоприятни, ние изхвърляме. Тези, които обещават, получават правото да произвеждат потомство. Ние произвеждаме мутация или наследственост на следващото поколение. "

Така стъпка по стъпка учените се обръщат към оптималния материал за тях от гледна точка на това физическа собственост. Еволюционният подход в този случай работи, както и на еволюционната теория на Дарвин, този принцип на Йоганов и неговите колеги се извършват на компютър при търсене на кристални структури, които са оптимални от гледна точка на това свойство или стабилност.

"Мога също да кажа (но вече е малко на ръба на хулиганството), че когато извършихме да работим този метод (между другото, развитието продължава. Той е подобрен все повече и повече), ние експериментирахме с различни начини на еволюция . Например, ние се опитахме да произведем едно дете от двама родители, но от три или четири. Оказа се, че и като в живота, да произвеждат оптимално едно дете от двама родители. Едно дете има двама родители - татко и мама. Не три, не четири, не двадесет и четири. Това е оптимист както в природата, така и на компютъра. "

Йоганов патентова неговия метод и сега те се радват на почти хиляди изследователи по света и няколко най-големи компании, като Intel, Toyota и Fujitsu. Toyota, например, според Oganova, вече е изобретил нов материал за литиеви батерии, които ще се използват за хибридни автомобили с помощта на този метод.

DIAMMA проблем

Смята се, че диамантът, като държач за твърдост, е оптималният супермард материал за всички приложения. Това обаче не е така, защото в жлезата, например, то се разтваря и в кислородната среда при високи температури, тя изгаря. Като цяло търсенето на материала, който би бил по-труден диамант, тревожно човечеството в продължение на много десетилетия.

"Просто компютърно изчисление, което е проведено от моята група, показва, че такъв материал не може да бъде. Всъщност алтернативият диамант може да бъде само диамант, но в нанокристална форма. Други материали, за да победят диаманта на твърдостта в държавата. "

Друга посока на Оганова група е прогноза на нови диелектрични материали, които биха могли да служат като основа за супер-кондензатори за съхраняване на електрическа енергия, както и за по-нататъшна миниатюризация на компютърни микропроцесори.
"Тази миниатюризация всъщност отговаря на препятствията. Тъй като съществуващите диелектрични материали са слабо държани електрически заряди. Има течове. И допълнителна миниатюризация е невъзможна. Ако можем да получим материал, който се държи на силиций, но в същото време има много по-висока диелектрична константа от материалите, които имаме, можем да решим тази задача. И имаме достатъчно сериозна промоция и в тази посока. "

И последното нещо, което кара Йоганов, е развитието на нови наркотици, което също е тяхната прогноза. Това е възможно поради факта, че учените са се научили да предскажат структурата и химичния състав на повърхността на кристалите.

"Факт е, че повърхността на кристала често има химичен състав, който се различава от самото вещество на кристала. Структурата също често е различна. И открихме, че повърхностите на прости, изглеждат инертни кристали на оксид (като магнезиев оксид), съдържат много интересни йони (като йонноксид). Те също така съдържат групи, подобни на озона, състояща се от три кислородни атома. Това обяснява едно изключително интересно и важно наблюдение. Когато човек вдишва фини частици от оксидни минерали, които сякаш изглеждаха инертни, безопасни и безвредни, тези частици играят жестока шега и допринасят за развитието на рак на белия дроб. По-специално, е известно, че канцерогенното вещество е азбест, което е изключително инертно. Така че, на повърхността на този вид минерали като азбест и кварц (особено кварц), могат да се образуват йони пероксид, които играят ключова роля в образуването и развитието на рак. С помощта на нашата техника също е възможно да се предскажат условията, при които може да се избегне образуването на този вид частици. Това означава, че има надежда дори да се намери терапия и предупреждение за рак на белия дроб. В този случай говорим само за рак на белия дроб. И от напълно неочаквана страна, резултатите от нашите изследвания дадоха възможност да разберат и може дори да бъдат предотвратени или изцеление на рак на белия дроб. "

Ако обобщава, прогнозата на кристалните структури може да играе ключова роля в проектирането на материали както за микроелектроника, така и за фармацевтични продукти. Като цяло, такава технология отваря нов път в технологията на бъдещето, аз съм сигурен Йога.

Можете да прочетете за други посоки на лабораторната артемия чрез справка, но да се запознаете с книгата си Съвременни методи за прогнозиране на кристалната структура

1. Компютърен дизайн Нови материали: мечта или реалност? Artem Yoganov (aro) (1) Катедра по физика и астрономия (3) Ню Йорк Център за изчислителни науки Държавен университет в Ню Йорк, Стоуни Брук, Ню Йорк 11794-2100 (4) Московски държавен университет, Москва, 119992, Русия.
2. Траренето на материята: атоми, молекулярност предполага, че веществото се състои от частици: "когато той (Бог) не е създал земя, нито на полета или първоначално запрашаване на вселената" (Притчи, 8:26) (също - Epicur, Lucretia Колата, древните индианци, ...) През 1611 г. I. Kepleer предложи структурата на ледежите от снежинки да се определи от тяхната атомна структура
3. Траренето на материята: атоми, молекули, кристали 1669 - раждане на кристалография: Nikolay вагон формулира първия количествен закон на кристалографията "кристалография. ,. непродуктивен, съществува само за себе си, не разполага с последствията ... Не е необходимо никъде другаде, \\ t Тя се развива вътре в себе си. Тя дава основание някакво ограничено удовлетворение и неговите данни са толкова разнообразни, че може да се нарече неизчерпаем; Затова дори тя сканира най-добрите хора Такава верига и толкова дълго "(i.v. goothe, аматьорска кристалография, 1749-1832) Лудвиг Болцман (1844-1906) - великият австрийски физик, който изгражда всичките си теории за атомните идеи. Критиката на атомизма го накара да се самоубие през 1906 г. През 1912 г. хипотезата за атомната структура на веществото е доказана от експериментите на Макс фон Дауе.
4. Структурата е в основата на разбирането на свойствата и поведението на материалите (от http://nobelprize.org) zins zns. Една от първите структури, решени от Braggs през 1913 г. Изненада: Няма ZNS молекули в структурата!
5. рентгенова дифракция - основният метод за експериментално определяне на структурата на кристалната структура на структурата на дифракцията
6. Съотношението на структурата и дифракционния модел Какво ще прави различни модели на тези "структури"?
7. Експериментални триумфи - дефиницията на невероятно сложни кристални структурно отделени фази на quasicrystalline елементи протеини (RB-IV, u.schwarz'99) Новото състояние на веществото, открито през 1982 г., се намира в природата само през 2009 г.! Нобелова награда 2011!
8. Състояние на материята кристален квазикристален аморфен течен газообразен ("мек материал" - полимери, течни кристали)
9. Атомната структура е основната характеристика на веществото. Знаейки го, можете да предскажете свойствата на материала и нейната електронна структура на теорията на Exp. C11 493 482 C22 546 537 C33 470 485 C12 142 144 C13 146 147 C23 160 146 C44 212 204 C55 186 186 186 186 MGSIO3 Перовски константи C66 149 147
10. Няколко истории 4. Материали на дълбочината на Земята 3. Материали от компютър 2. Възможно е да се предскаже кристален1. За връзката на структурата? Структури на собственост
11. Защо ледът е по-лек от водата? Структурата на леда съдържа големи празни канали, които нямат Vied вода. Благодарение на тези празни канали лед по-лесно лед.
12. Газ хидрати (клатрати) - лед с пълнеж на молекули (метан, въглероден диоксид, хлор, ксенон и др.) Брой клатрална публикация Огромни находища на метан хидрат - надежда и спестяване на енергия? При ниско налягане, метан и въглероден диоксид Клатрати - 1 литър от кладарта съдържа 168 литра газ! Метан Хидратът изглежда като лед, но гори с освобождаване на вода. CO2 хидрат - форма на погребение за въглероден диоксид? Механизъм на ксенон анестезия - формиране на хидратирането блокиране на предаването на невронни сигнали към мозъка (Полинг, 1951)
13. Микропорести материали за химическата промишленост и почистването на изолатите на околните среди са микропорести алумосиликати, отделянето на октан и изо-октан зеолито-химикал. Индустрия Исторически примери за отравяне с тежки метали: Цин Ши Хуади Иван IV Grozny "Neron's болест (37-68) олово (259 - 210 г. пр. Хр.) (1530-1584) лудо отравяне: шапки" агресия, деменция
14. Нов и стар свръхпроводници явление отворено през 1911 г. Tryling-Onnex Теорията на свръхпроводимостта - 1957 г. (Bardeen, Cooper, Schrieffer), но теорията на най-часовите температурни свръхпроводници (Bednorz, Muller, 1986) No! Най-мощните магнити (МРТ, масспектрометри, ускорители на частиците) Влакове на магнита (430 km / h)
15. Изненада: въглерод сваляем формуляр за примес 1.14 1 TC  EXP [] KB G (e F) v Doped Graphite: KC8 (TC \u003d 0.125 k), CaC6 (TC \u003d 11 K). B-DOPED DIAMOND: TC \u003d 4 K. Допед Fullerenes: RBCS2C60 (TC \u003d 33 K) структура на молекулата и външен вид Fullerene C60 Fullerite кристали свръхпроводимост в органични кристали са известни от 1979 г. (Bechgaard, 1979).
16. Тъй като материалите могат да спасят или унищожат при ниски температури, калай претърпява фазов преход - "калайска чума". 1812 - Според легендата, експедицията на Наполеон до Русия е починала поради калай бутоните на униформите! 1912 - смъртта на експедицията на капитан r.f. Скот до Южния полюс, който се приписва на "калай". Преход на първия Rhodasy 13 0C White Tin: 7.37 g / cm3 сива калай: 5.77 g / cm3
17. сплави с памет с форма 1 2 3 4 1- до деформация 3 - след нагряване (20 ° С) (50 ° С) 2 - след деформация 4 - след охлаждане (20 ° C) (20 ° C) Пример: NITI ( Nitinol) Приложения: шунтове, стоматологични скоби, елементи на петролни тръбопроводи и самолетни двигатели
18. Чудеса на оптичните свойства на плеохроизма (cordieritis) - отварянето на Америка и навигацията на САЩ VVsdvobrelene (калцит) александрит ефект (Chrysoberyill) купа Лициргба (стъкло с наночастици)
19. За природата Colorilla вълни, Å Цвят Допълнителен цвят4100 лилав лимон-жълт4300 индиго жълто4800 синьо оранжев5000 синьо-зелено червено5300 зелено лилаво5600 лимон-жълт лилав5800 жълт индиго6100 оранжево синьо6800 червен синус-зелен \\ t
20. Цветът зависи от посоката (pleochroism). Пример: Cordiiisit (mg, fe) 2al4si5o18.
21. 2. Прогнозиране на кристалните структури на Oganov A.R., Ляхов А.О., Вале М. (2011). Как работи еволюционната кристална структура прогнози - и защо. ACC. Chem. ВЕИ. 44, 227-237.
22. J. Maddox (Nature, 1988) Задача - Намерете глобалния минимум на опциите за енергия. 1 1 1 сек. Препращане на всички структури невъзможно: 10 1011 103 години. 20 1025 1017 години. 30 1039 1031 години. Преглед на метода USPEX (ARO & GLASS, J.CHEM.PHIS. 2006)
23. Как да намерим планината Еверест с помощта на еволюцията на кенгуру? (снимка от R. bolegg) Ние приземяваме кацането кенгуру и им позволявам да се размножават (не са показани на цензура причини) .....
24. Как да намерим еволюция на кенгуру за намиране на планината Еверест? (снимка от R. Boles) Aaaargh! OUCH .... и от време на време ловците идват и премахват кенгуру на по-малки височини
25.
26. Еволюционни изчисления "Самообучение" и фокусиране на търсенето на най-интересните области на пространството
27. Еволюционни изчисления "Самообучение" и фокус търсят по най-интересните области на пространството
28. Еволюционни изчисления "Самообучение" и фокус търсят по най-интересните области на пространството
29. Еволюционни изчисления "Самообучение" и фокусиране на търсенето на най-интересните области на пространството
30. Алтернативни методи: произволно търсене (Freeman & Catlow, 1992; Van Eijck & Kroon, 2000; Pickard & Needs, 2006) Няма "обучение" работи само за прости системи (до 10-12 атома). Изпълнителна агрекция (Pannetier 1990; Schön & Jansen 1996) Няма "учене" метадамика (Martonak, Laio, Parrinello 2003) Taboo търсене в пространството Minima Hopping (Gödecker 2004) използва историята на изчислението и "Самоучетено". Генетични и еволюционни алгоритми Буш (1995), Woodlee (1999) - не ефективен метод За кристали. DEAven & Ho (1995) е ефективен метод за наночастици.
31. USPEX (универсална структура Предтрозвач: еволюционна xtallographic) (случайна) първична популация Новото поколение структури се извършва само от най-добрите текущи структури (1) Наследственост (3) Координатна (2) мутационна решетка мутация (4) Разрешение
32. Допълнителни приеми - параметърът на реда на "пръстови отпечатъци" структура на раждането на реда от хаоса в еволюционния процес ["Бог \u003d генератор на разнообразието" © C. Avetisyan] Местен ред - показва дефектни области
33. Тест: "Кой би предположил, че графитът е стабилен алотроп на въглерод при обикновен натиск?" (Maddox, 1988) триизмерна структура SP2, предложената пушка е правилно прогнозирана от R. Hoffmann (1983) като стабилна фаза при 1 АТМ структурата с ниска SP3- хибридизация на енергия илюстрира SP2-хибридизация на хибридизация на въглеродната химия (карбини)
Тест: Фазите на високо налягане също са възпроизведени правилно100 GPA: Diamond Staswary 2000 GPA: е известен метапасната фаза на BC8, обясняваща метастабилност BC8 силиконова фаза "SUPERHARD GRAPHITE" (KASPER, 1964) (LI, ARO, MA, et al. , PRL 2009)
35. Откриване, направено с USPEX:
36. 3. Материали от компютър
37. Откриване на нови материали: все още експериментален метод на проби и грешки "Не страдах (десет хиляди) неуспехи, но само отворих 10000 неработни начини" (TA Edison)
38. Търсене на веществото на плътност: са въглеродните модификации са възможни гъст диамант? Да, структурата на Almazalmaz има най-малък атомен обем от най-голямата нечовешка сред цялата нова структура, елементи (и съединения). По-строг диамант! (Zhu, aro, et al., 2011)
39. Аналогията на формите на въглерод и силициев диоксид (Si02) прави възможно разбирането на плътността на новите въглеродни форми. Нови структури, 1.1-3.2% плътни диаманти, много високи (до 2.8!) Индикатори за пречупване и разпръскване на Light Diamond HP3 структура TP12 структура TI12 структурио2 Kstrobalite Sio2 Quartz Sio2 Kitit фаза SIS2 високо налягане
40.
41. Най-трудният оксид - TIO2? (Dubrovinsky et al., Nature 410, 653-654 (2001)) Nishio-Hamane (2010) и Al-Khatatbeh (2009): модул за компресиране ~ 300 GPA, а не 431 GPA. Ляхов & aro (2011): Експериментите на налягането са много сложни! Твърдост не по-висока от 16 GPA! TIO2 по-мек Si02 е мивка (33 GPA), B6O (45 GPA), AL2O3 CONUNDUM (21 GPA).
42. Възможни ли са въглеродните форми на по-трудния диамант? Не . Материал модел Ли Ляхов exp. Твърдост, ethalpy, et al. & ARO структура на GPA EV / Atom (2009) (2011) Almaz 89.7 0.000 Diamond 91.2 89.7 90 Lonsdalet 89.1 0.026 Graphite 57.4 0.17 0.14 C2 / m 84.3 0.163 TiO2 Rutile 12.4 12.3 8-10 I4 / mmm 84.0 0.198 β-Si3n4 23.4 23.4 21 cmcm 83.5 0.282SIO2 пръчки 31.8 30.8 33 р2 / m 83.4 0.166 I212121 82.9 0.384 FMMM 82.2 0.322 cmcm 82.0 0.224 P6522 81.3 0.1211 Всички твърди структури са базирани на еволюционното изчисление на SP3
43. Студената графитна компресия дава m-въглерод, а не диамант! M-въглерод, предложен през 2006 г. през 2010-2012 година. Тенхалтернативни структури (W-, R-, S-, Q-, X-, Y-, R-, S-, Q-, X-, Y-, Z-въглерод и др.) М-въглерод се потвърждава от Ново-главни експерименти M-въглерод улеснени от графит графит BCT4-въглероден графит m въглероден графит диамант
44. М-въглерод - нова въглеродна форма на Almazgrafite Lonsdaleit теоретична фаза въглеродна диаграма M-въглеродни лагери
45. вещество под налягане в природата P.W. Bridgman 1946. Нобелов лауреат (Физика) 200x Магазин: 100 gp \u003d 1 mbar \u003d
Нептун има вътрешен източник на топлина - но ch4 откъде? Uranus и Neptune: H2O: CH4: NH3 \u003d 59: 33: 8. Нептун има вътрешен източник на енергия (HUBBARD'99). Ross'81 (и Benedetti'99): CH4 \u003d C (диамант) + 2H2. Diamond Drop-Home източник на топлина на Нептун? Teoria (Ancilotto'97; GAO'2010) Това потвърждава. Метан въглеводороден диамант.
47. Баркорите са между метали и неметали, а уникалните му структури са чувствителни към B примеси, температура и наляганеAlfa-B BETA-B T-192
48. Историята на откриването и изследванията на Бора е пълна с противоречия и детектив, включващ Б 1808: J.L.gay-Lussac и H.Davy обяви откриването на нов елемент - Boron.j.l. Gay-Lussac H. Davy 1895: H. Moissan доказа, че техните вещества отварят не повече от 50-60% бор. Moissan материал обаче се оказа, че е съединение с съдържание на бор до 90%. H. Moissan 1858: F. Wöhler описа 3 модификации на Бора - "Diamond", "Graphite-" и "Colek-подобен". И трите бяха връзки (например, ALC12 и B48C2AL). 2007: Бяха публикувани 16 кристални модификации (повечето са връзки?). Не е известно коя форма е най-стабилна. F. Wöhler.
49. Под натиска на Бор образува частично йонна структура! B 2004: Chen и Szozhenko: синтезира нова модификация на бор, но не може да реши структурата му. 2006: Йоганов: определя структурата, доказа своята стабилност. 2008: Syboltenko, Kurakvich, Yogan - тази фаза е една от най-солидните известни вещества (Твърдост 50 GPA). Рентгенова дифракция. От по-горе - теория, отдолу - експериментационната структура на гама-бор: (b2) 5 + (В12) Δ-, Δ \u003d + 0.5 (ARO et al., Nature 2009). Разпределение на най-много (ляво) и най-малко (вдясно) стабилни електрони.
50. Първата фазова диаграма на Бора - след 200 години изследвания! Осветлената графика на Бор (ARO et al., Nature 2009)
51. Натриев - метал, перфектно описан от модела на свободните електрони
52. Под налягането на натрий променя своята същност - "Алхимична трансформация" NA 1807: натрий отвори Gammrey Davy. 2002: Hanfland, Syassen, et al. - Първото указание за изключително сложна химия. Дейви натрий под налягане над 1 mbar. Gregornz (2008) - по-подробни данни. Под налягането на натрий става частично D-метал!
53. Предвиждахме нова структура, която е прозрачна неметало! Натрий става прозрачен при налягане от ~ 2 mA, EREMETS, ARO et al., Nature 2009) Електроните са локализирани в "празното място" на структурата, което прави компресиран натриев неметалол
Изследването на минералите е не само естетично образуване, но и на практика фундаментално важна научна посока за понижаване на точката на топене, примесите на дървото се разтопяват при 70 ° С. \\ t 41.5 s!
64. Какъв е съставът на вътрешното ядро \u200b\u200bна земята? Ядрото е малко по-малко гъсто от чисто желязо. В ядрото на FE в сплав със светли елементи, като S, Si, O, C, H. в Fe-C и Fe-H системи, се предвиждат нови връзки (FEH4!). Въглеродът може да се съдържа в ядрото в големи количества [Bazhanov, Йоганов, Джанола, UFN 2012]. Процент на въглерод в вътрешното ядро, необходим за обяснение на неговата плътност
65. Естеството на слоя D "(2700-2890 км) за дълго време остава мистерия" - коренът на горещите потоци на мантици, че Mgsio3 е ~ 75 vol.% От странността на слоя D ": сеизмична междина, Анизотропичпична анизотропия на corderyite цвят!
66. RIDDRAGE - При съществуването на нов минерал, MGSIO3 пост-извращаващ слой D "(2700-2890 км) фаза диаграма D" Break MGSIO3 обяснява съществуването на слой D "ви позволява да изчислите температурата му обяснява вариациите на MGSIO3 Ден на слоя D "расте наочакваното охлаждане на земята D" отсъствие на Меркурий и Марс прогнозира ново семейство минерали - Tschauner (2008)
67. Структурата на веществото е ключът към познаването на света. Структури. Определение
68. Благодарност: моите ученици, студенти и мелодии: a. ЛЯХХОВ Y. MA S.E. Boulfelfel c.w. Glass Q. Zhu Y. Xie колеги от други лаборатории: F. Zhang (Perth, Австралия) C. Gatti (U. Milano, Италия) Г. Гао (Джилин Университет, Китай) А. Бергара (U. BASQUE SOUND, Испания) \\ t I. ERREA (U. Страна, Испания) М. Martinez-Canales (UCL, UK) C. HU (Guilin, China) M. Salvado & P.pertierra (Oviedo, Испания) vl Sybolnko (Париж) D.YU. Pushchashovsky, v.v. Brazhn (Москва) потребители потребители потребители (\u003e 1000 души) - http://han.ss.sunysb.edu/~uspex

Публикуваме текста на лекцията, прочетете от професор в Ню Йорк, допълващ професор MSU, почетен професор по Гуилския университет Артем Ohanov. 8 Септември 2012 г. в рамките на цикъла на "публични лекции" polit.ru "на фестивала на открито-въздухаBookmarket. В художествения парк "Museon".

"Polyant.ru публични лекции" се провеждат с подкрепата:

Текст лекция

Много съм благодарен на организаторите на този фестивал и "polit.ru" за поканата. За мен е голяма чест да прочета тази лекция; Надявам се, че ще ви бъде интересно.

Лекцията е пряко свързана с нашето бъдеще, защото нашето бъдеще е невъзможно без нови технологии, технологии, свързани с нашето качество на живот, ето iPad, тук е нашият проектор, всички наши електроника, енергоспестяващи технологии, технологии, които се използват Почистете околната среда, технологиите, които се използва в медицината и т.н. - всичко това зависи от огромно ново материали, нови технологии изискват нови материали, материали с уникални, специални свойства. И как тези нови материали могат да бъдат разработени в лабораторията, но на компютъра ще отидат една история.

Лекцията се нарича: "Компютърна дизайн на нови материали: мечта или реалност?". Ако беше много сън, лекцията нямаше да има смисъл. Сънищата са нещо като правило, а не от областта на реалността. От друга страна, ако вече е напълно изпълнена, лекцията също няма смисъл, тъй като новата методология, включително теоретичните изчисления, когато те вече са напълно развити, се движат от изхвърлянето на науката в категорията на промишлеността рутинни проблеми. Всъщност, тази област е напълно нова: компютърният дизайн на нови материали е някъде съвременен между съня - фактът, че е невъзможно, това, което мечтаем за свободното време - и реалността, тя не е до края на завършената зона, която е област, която е разработена в момента. И тази област ще позволи в близко бъдеще да се оттегли от традиционния метод за отваряне на нови материали, лаборатория и да премине към компютърни дизайнерски материали, ще бъде по-евтино и по-бързо, по много начини, още по-надеждни. Но как да го направя, ще кажа. Това е пряко свързано с проблема с прогнозата, прогнозата на структурата на веществото, тъй като структурата на веществото определя нейните свойства. Различната структура на едно и също вещество, да речем, въглерод, определя супертералдния диамант и супер мощния графит. Структурата в този случай е всичко. Структура на веществото.

Като цяло празнуваме стогодишнината на първите експерименти тази година, което позволява да се отвори структурата на веществото. Много отдавна, с древни времена, хората поставят хипотеза, че веществото се състои от атоми. Споменаването на това може да бъде намерено, например, в Библията, в различни индийски епос и доста подробни препратки към това може да се види от Демократи и Луцерета Кара. И първото споменаване на това как се подрежда веществото, тъй като това вещество се състои от тези дискретни частици, атоми, принадлежат към Йохан Кеплеру, чудесна математика, астроном и дори астролог - по това време астрологията се счита за наука, за съжаление. Кеплер извади първите снимки, в които той обясни шестоъгълната форма на снежинки и структурата на лед, предложена от Кеплер, въпреки че се различава от реалността, в много аспекти е подобно. Но въпреки това хипотезата за атомната структура на веществото остава хипотеза до 20-ти век, до сто години, за първи път, тази хипотеза не е научно доказана. Тя се доказва с моята наука, кристалография, науката сравнително нова, която е родена в средата на 17-ти век, 1669 г. е официалната дата на раждане на кристалография и създаде своя чудесен датски учен Николай Уйтън. Всъщност, името му беше Niels Szensen, той беше дент, латинно име - Николай Валан. Той основаваше не само кристалография, но и редица научни дисциплини и формулира първия закон на кристалографията. От това време кристалографията на прощална траектория започва своето развитие.

Николай Стенсън имаше уникална биография. Той стана не само основател на няколко науки, но и класира лицето на католическата църква на светиите. Кристатографът също беше най-големият немски поет Гьоте. И Гьоте принадлежи на котировките, че кристалографията е непродуктивна, съществува вътре, а като цяло тази наука е напълно безполезна и не е ясно защо е необходимо, но като пъзел е много интересен и поради това привлича много умен хора. Така говореше Гьоте в популярна пропускаща лекция, която той чел някъде на банските курорти, богати на бездействащи дами. Между другото, има минерал, призован в чест на Гьоте, изчезва. Трябва да се каже, че по това време кристалографията наистина е доста безполезна наука, наистина на нивото на някои математически шариат и пъзели. Но времето мина и преди 100 години, кристалографията излезе от категорията на такава наука в себе си и става научна изключително полезна. Това беше предшествано от голяма трагедия.

Повтарям, атомната структура на веществото остава хипотеза до 1912 година. Великият австрийски физик Лудвиг Болцман изгради всичките си научни аргументи за тази хипотеза за атомността на веществото и беше сериозно критикувана от много от опонентите си: "Как можете да изградите всичките си теории за недоказана хипотеза?" Лудвиг Болцман под влиянието на тази критика, както и слабо здраве, се ангажираха през 1906 година. Той се обесил, че е на почивка със семейството си в Италия. Само 6 години по-късно е доказана атомната структура на веществото. Така че, ако беше малко по-търпелив, той щеше да се опита през всичките си опоненти. Понякога търпението означава повече от ума, търпението означава повече, отколкото дори гений. Така - какви бяха тези експерименти? Тези експерименти бяха направени от Макс фон Ланю, по-точно, завършилите си студенти. Самият Макс фон Лау не правеше такива експерименти, но идеята му принадлежеше. Идеята беше, че ако веществото наистина се състои от атоми, освен ако, като се предполага, атомите са построени в кристално периодично, след това трябва да се наблюдава повишен феномен. Малко преди да бъдат открити рентгеновите лъчи. Физиката по това време вече беше добре разбрана, че ако дължината на вълната на излъчване е сравнима с продължителност на периодичността - характерна дължина на обекта, в този случай - кристал, тогава трябва да се наблюдава дифракционно явление. Това означава, че лъчите ще пътуват не само строго по права линия, но и да се отклоняват напълно строго определени ъгли. Така, кристалът трябва да се наблюдава някаква напълно специална картина на рентгенова дифракция. Известно е, че дължината на вълната на рентгеновата радиация трябва да бъде подобна на размера на атомите, ако са направени атоми, бяха направени оценки на размера на атомите. Така, ако атомната хипотеза на структурата на веществото е правилна, трябва да се наблюдава дифракцията на рентгенови лъчи на кристалите. Какво може да бъде по-лесно да се провери?

Проста идея, прост експеримент, за който малко повече от година, Врати Имам Нобелова награда по физика. И можем да се опитаме да похарчим този експеримент. Но за съжаление, сега твърде светли, така че този експеримент може да наблюдава всичко. Но може би ще опитаме това с един свидетел? Кой може да дойде тук и да се опита да спазва този експеримент?

Виж. Тук е лазерна показалка, ние ще светим към нея - и какво ще се случи тук? Нямаме рентгенови лъчи, но оптичен лазер. И това не е структурата на кристала и нейното изображение се подува с 10 хиляди пъти: но в края на краищата, лазерната дължина на вълната е 10 хиляди пъти по-висока от дължината на вълната на рентгеновата радиация и по този начин се прави състоянието на дифракцията отново - съпоставимост на дължината на вълната с период на кристална решетка. Тук разглеждаме обекта, в който няма редовна структура, течност. Ето, Олег, задръжте тази снимка и аз ще блъскам лазер, обърнете се, картината ще бъде малка, защото не можем да проектираме ... Вижте, виждате пръстена тук, вътре - точка, която характеризира прекия преход на лъч. Но пръстенът е дифракцията от неорганизирана течна структура. Ако кристалът е пред нас, тогава картината ще бъде напълно различна. Виждате ли, имаме много лъчи, които отклоняват стриктно определени ъгли.

Олег (доброволец):Вероятно защото повече атоми ...

Артьом Йоганов: Не, поради факта, че атомите са разположени строго по определен начин, можем да наблюдаваме такава снимка на дифракцията. Тази картина е много симетрична и е важно. Нека намерим олег за брилянтно проведен експеримент, който би донесъл Нобелова награда преди 100 години.

Следваща - през следващата година, бащата и синът на Браг се научиха да дешифрират дифракционните снимки, определят кристалните структури. Първите структури бяха много прости, но сега благодарение на последните методологии, за които Нобелова награда бе наградена през 1985 г., вече е възможно да се дешифрират вече много, много сложни структури въз основа на експеримента. Ето експериментът, който аз и Олег възпроизвеждат. Тук е структурата на източника, има бензолен молекула, а Олег наблюдава такава дифракционна картина. Сега, с помощта на експеримента, е възможно да се дешифрират много сложни структури, по-специално структурата на квазикристалите, както и за отварянето на квазикристали, това ново състояние на твърдото вещество миналата година е дадена нобеловата премия за химията. Как динамиката е тази област, какви фундаментални открития се изпълняват на нашия век! Структурата на протеините и други биологично активни молекули се декодира и от рентгеновата дифракция на обучението, този голям кристалографски метод.

Така че, ние знаем различните състояния на веществото: поръчан кристален и квазикристален, аморфен (разстройван твърдо състояние), както и течно, газообразно състояние и различни полимерни състояния на веществото. Знаейки структурата на веществото, можете да предскажете много и много от неговите свойства и с голяма степен на надеждност. Тук е структурата на магнезиев силикат, тип Певровски. Знаейки приблизителните позиции на атомите, можете да предскажете например такава доста трудна собственост, като еластична константа - този имот е описан от ранг тензор с множество компоненти и този сложен имот можете да предскажете с експериментална точност, знаете само позицията на атомите. И веществото е много важно, това е 40% от обема на нашата планета. Това е най-често срещаният материал на земята. И сега, за да се разберат свойствата на това вещество, което съществува на високи дълбочини, е възможно, знаейки само местоположението на атомите.

Бих искал да кажа малко за това как имотите са свързани като прогнозиране на структурата на веществото, така че да могат да се предвиждат нови материали и какво е направено с този вид методи. Защо ледът е по-лек от водата? Всички знаем, че айсбергът плуват и не се удавят, знаем, че ледът е винаги на повърхността на реката, а не на дъното. Какъв е проблема? Случаят е в структурата: ако погледнете тази структура на лед, тогава ще видите големи шестоъгълни изпразниния в него, и когато ледът започне да се стопи, водните молекули запушват тези шестоъгълна празнота, поради тази плътност на водата става по-голяма от плътността на леда. И можем да покажем как се случва този процес. Ще ви покажа кратък филм, погледнете внимателно. Топенето ще започне с повърхности, така че наистина се случва, но това е компютърно изчисление. И ще видите как се разпръскват разпространението вътре ... молекулите се движат и виждате как са запушени тези шестоъгълни канали и точността на структурата е загубена.

Лола има няколко различни формии много интересна форма на лед, която се получава, ако вкарате празнотата на ледената структура с молекули за гости. Но самата структура също ще се промени. Говоря за така наречените газови хидрати или клатрати. Виждате рамката на водните молекули, в които има кухини, в които присъстват молекули за гости или атоми. Молекулите на гостите могат да бъдат метан - природен газ, може да бъде въглероден диоксид, може би, например, атом от ксенон и всеки от тези газови хидрати има интересна история. Факт е, че резервите на метан хидратиране съдържат 2 порядъка повече природен газот традиционните газови отлагания. Депозитите от този тип се намират, като правило, на морския шелф и в зоните на пермафрута. Проблемът е, че хората все още не са се научили за безопасно и изгодно извличане на газ от тях. Ако този проблем е решен, човечеството ще може да забрави за енергийната криза, ще имаме практически неизчерпаем източник на енергия за следващите векове. Водородният въглероден диоксид е много интересен - може да се използва като безопасен метод за изхвърляне на излишния въглероден диоксид. Изтеглете въглероден диоксид под ниско налягане в леда и го хвърлете на морското дъно. Този лед напълно спокойно има много хиляди години. Хидрата на ксенон служи като обяснение на ксеноновата анестезия, хипотеза, която преди 60 години бе номинирана от великия кристалохист Линус Полингом: Факт е, че ако дадено лице е дадено да повдигне ксенон при нисък натиск, човек престава да усеща болка. Използва се и изглежда, сега се използва за анестезия в хирургическите операции. Защо?

Ксенон при ниско налягане образува съединения с водни молекули, образувайки същите газови хидрати, които запушват разпространението на електрическия сигнал върху човешката нервна система. И болката сигнал от оперената тъкан просто не достига до мускулите, поради факта, че то е именно с такава структура, ксенонов хидрат. Това беше първата хипотеза, може би истината е по-сложна, но няма съмнение, че истината е близо. Когато говорим за такива порести вещества, е невъзможно да не се припомнят микропорестите силикати, така наречените зеолити, които са много широко използвани в индустрията за катализа, както и за разделяне на молекули с пукнатина с масло. Например, октан и мезоохето молекули са перфектно разделени от зеолитите: това е същата химична формула, но структурата на молекулите е малко по-различна: един от тях е дълъг и тънък, а вторият е кратък и дебел. И този, който е тънка, преминава през кухините на структурата, а този, който е дебел, се пресява и следователно такива структури, такива вещества се наричат \u200b\u200bмолекулярни сита. Тези молекулни сита се използват за пречистване на водата, по-специално водата, която пием, в нашите кранове тя трябва да премине през няколко филтъра, включително с помощта на зеолитите. Така можете да се отървете от замърсяването с най-различни химически замърсители. Понякога химическите замърсители понякога са изключително опасни. Историята знае примери за това как отравянето тежки метали доведе до много тъжни исторически примери.

Съдейки по време на жертвите на отравяне на живак, бяха първият първи император на Китай - Цин Шихунди и Иван ужас, а така наречената луда шапка беше проучена много добре, през 18-19 век в Англия цял клас хора, които работят в Шапка индустрията беше много ранна неврологичната болест, наречена болестта на лудата шапка. Тяхната реч стана непоследователна, техните действия са безсмислени, крайниците им бяха неконтролирани, а те паднаха в деменция и лудост. Тяхното тяло непрекъснато се свързва с Меркурий, тъй като те накисваха тези шапки в решения на живачни соли, които паднаха в тялото им и удариха нервната система. Иван Грозни беше много прогресивен, добър цар на 30-годишна възраст, след като се е променил за една нощ - и стана луд тиранин. Когато тялото му беше ексхумирано, се оказа, че той рязко е деформирал костите и съдържат огромна концентрация на живак. Факт е, че царят страда от сериозна форма на артрит и по това време артрит е бил третиран с триене на метрудни мазила - това е единственото лекарство и може би просто Меркурий обяснява странното лудост на Иван. Qin Shihuandi, човек, който е създал Китай в настоящата си форма, правила на 36-годишна възраст, а първите 12 години той е бил куклен в ръцете на майка си, наемите, неговата история е подобна на историята на Хамлет. Майката и нейният любовник убиха баща му и след това се опитаха да се отърват от себе си и историята е ужасна. Но това беше наложително, той започна да владее себе си - и в продължение на 12 години спря гражданската война между 7-те кралски царства, които продължиха 400 години, обедини Китай, той комбинира теглото на теглото, парите, единното китайско писане, той Изградена е страхотна китайска стена, построил 6, 5 хиляди километра магистрали, които все още се използват, каналите, които все още се използват, и това е направило един човек, но през последните години той претърпя някаква странна форма на маниакална лудост. Неговите алхимици, за да го накарат безсмъртни да му дадоха хапчета за живак, те вярвали, че това ще го направи безсмъртен, в резултат на това този човек, очевидно, отличителен от случайно здраве, умрял, не е живял и до 50 години, а последните години От този кратък живот бяха омрохите. Водещо отравяне, евентуално направено от жертвите си на много римски императори: в Рим имаше водеща вода, акведукт и е известно, че с олово отравяне, някои отделения на мозъка се намаляват, е възможно да го видим дори и на томографски снимки, Изпадането на интелигентността, падането на IQ, човекът става много агресивен. Отравяне с олово - до този ден голяма неприятност на много градове и страни. За да се отървете от този вид нежелани последици, трябва да разработим нови материали за почистване на околната среда.

Интересни материали, които не са напълно обяснени, са свръхпроводници. Свръхпроводимост също е отворена преди 100 години. Това явление е до голяма степен екзотично, тя е открито отворена. Просто охладен живак в течен хелий, се измерва електрическото съпротивление, което се оказа, че той изпуска плавно до нула, а по-късно се оказа, че свръхпроводниците напълно натискат магнитното поле и могат да левилят в магнитно поле. Тези две характеристики на свръхпроводниците се използват доста широко в високотехнологични приложения. Видът на свръхпроводимостта, която беше отворена преди 100 години, беше обяснено, обяснението се изискваше на половин век, това обяснение доведе Нобеловата награда Джон Бардин и неговите колеги. Но след това през 80-те години, вече нашия век е отворен нов тип свръхпроводимост, а най-добрите свръхпроводници принадлежат към този клас - високотемпературни свръхпроводници на базата на мед. Интересна характеристика е, че такава свръхпроводимост все още няма обяснение. Много приложения от свръхпроводници. Например използването на свръхпроводници създават най-мощните магнитни полета и това се използва в магнитно резонансно изображение. Натискането на влакове на магнитно валцуване - друго приложение и ето снимка, която лично съм направил в Шанхай на такъв влак - видим показател за скорост от 431 километра в час. Свръхпроводниците понякога са много екзотични: вече 30. Органичните свръхпроводници са известни на 30 години, т.е. базирани на въглерод свръхпроводници, той се оказва, дори диамантът може да бъде направен, като влезе в малко количество борни атоми. Графитът може също да бъде направен свръхпроводник.

Тук е интересен исторически паралел за това как свойствата на материалите или тяхното невежество могат да имат фатални последствия. Две истории, които са много красиви, но очевидно, са исторически погрешни, но все още ще им кажа, защото една красива история понякога е по-добра от истинната история. В популярната научна литература е много често да се срещат позовавания на това как ефектът от чумата на калай - и нейната извадка - унищожил експедицията на Наполеон в Русия и капитан Скот до Южния полюс. Факт е, че калай при температура от 13 градуса по Целзий претърпява преход от метал (това е бял калай) в сив калай, полупроводник, докато плътността пада рязко - и калайът пада. Това се нарича "калайска чума" - калай просто се смачка. И ето историята, която не съм срещал пълно обяснение. Наполеон идва в Русия с 620 хилядна армия, дава само няколко относително малки битки - и става дума за Borodin само 150 хиляди души. 620 идва в Бородин почти без битка идва 150 хиляди. С Бородина, около 40 хиляди жертви, тогава отстъпление от Москва - и 5 хиляди души достигат Париж. Между другото, и отстъплението също беше почти без битка. Какво става? Как от 620 хиляди без борба да се вози до 5 хиляди? Има историци, които твърдят, че са виновни за всяка чума на калай: бутоните на войниците на униформите са направени от калай, калай, разпадан, веднага щом дойде студът, - и войниците се оказаха всъщност голи в руски замръзване. Проблемът е, че бутоните са направени от мръсен калай, който непрекъснато е за калай.

Много често можете да видите в популярна научна преса да споменете, че капитан Скот в различни версии или със себе си самолети, в които резервоарите за гориво са имали калай, или консервирана храна в банките на калай отново се разпаднат, а експедицията е починала от глад и студ. Всъщност прочетох дневниците на капитан Скот - той не споменава самолети, той имаше някои аерозани, но отново не пише за резервоара за гориво и не пише за консерви. Така че тези хипотези, очевидно, са неправилни, но много интересни и поучителни. И помнете ефекта на калайната чума във всеки случай е полезен, ако отидете в студения климат.

Ето още едно преживяване, а след това ще се нуждая от кипяща вода. Друг ефект, свързан с материалите и тяхната структура, които не биха дошли на един човек, - ефектът от формите, също отворен случайно. В тази илюстрация виждате, че моите колеги са направили две букви от този проводник: T U, технически университет, те са подсилили тази форма при високи температури. Ако поръчате някаква форма при високи температури, материалът ще помни тази форма. Можете да направите сърце, например, да дадете скъпа и да кажете: това сърце ще помни чувствата ми завинаги ... тогава тази форма може да бъде унищожена, но веднага след като го придадете на гореща вода, формата е възстановена, тя изглежда като магия. Току-що сте нарушили тази форма, но поставете гореща вода - формата се възстановява. И всичко това се дължи на много интересна и доста тънка структурна трансформация, която се появява в този материал при температура от 60 градуса по Целзий, поради което се нуждаят от гореща вода в нашия опит. И една и съща трансформация се появява както в стомана, но в стомана се случва твърде бавно - и паметта на ефекта на форма не се случва. Представете си, ако стоманата също показа такъв ефект, ние ще живеем в съвсем различен свят. Ефектът на формата на формата намира много приложения: стоматологични скоби, сърдечни шулчета, части от двигателя в самолети за намаляване на шума, шипове в газопроводи и петролни тръбопроводи. И сега имам нужда от друг доброволец ... Моля, какво е вашето име? Вика? Ние ще се нуждаем от помощ Wiki с този проводник, това е проводник на кабелна памет. Същия сплав нитинол, сплав от никел и титан. Този проводник беше закален под формата на прав проводник и ще помни тази форма завинаги. Вика, вземете парче от този проводник и по всякакъв начин да натъпкате, да го направим така, че да е непряко, колкото е възможно, само възли не се свързват: възелът не повдига. И сега го поставят в кипяща вода, а проводникът ще помни тази форма ... Е, как, изправено? Този ефект може да се наблюдава завинаги, вероятно го видях хиляди пъти, но всеки път, като дете, аз гледам и се възхищавам на това, което е красив ефект. Нека се изкачим във Вика. Би било хубаво, ако научихме такива материали, за да предскажем на компютъра.

Но аз. оптични свойства Материали, които също са напълно нетривиални. Оказва се, много материали, почти всички кристали, разделят лъча на светлината на два лъча, които пътуват в различни посоки и при различни скорости. В резултат на това, ако погледнете през кристал на някакъв надпис, тогава надписът винаги ще бъде малко. Но като правило, неразличим за очите ни. В възпалените кристали този ефект е толкова силен, че наистина можете да видите две надписи.

Въпрос от залата:Казахте ли - при различни скорости?

Артем Оганов:Да, скоростта на светлината е постоянна само във вакуум. В кондензираната среда тя е по-ниска. След това сме свикнали да мислим, че всеки материал има определен цвят. Руби - червено, сапфир - синьо, но се оказва, че цветът също може да зависи от посоката. Като цяло, една от основните характеристики на кристала е анизотропи - зависимостта на собствените имоти. Свойства в тази посока и в тази посока варират. Тук е минералният кордиер, който в различни посоки цветът се променя от кафяво-жълт до син, това е същият кристал. Някой ли ми вярва? Донесох специален Cordierite кристал, моля те ... Виж какъв цвят?

Въпрос от залата:Изглежда бяло, но така ...

Артем Оганов:От някаква светлина, като бяло, до виолетово, просто завъртате кристала. Всъщност има исландска легенда за това как викингите отвориха Америка. И много историци виждат в тази легенда да се използва използването на този ефект. Когато викингите бяха изгубени в средата на Атлантическия океан, техният конунг извади един слънчев камък и в светлината на здрача успя да определи посоката на запад и затова отидоха до Америка. Какво е слънчевият камък, никой не знае, но много историци вярват, че слънчевият камък е, че Вика продължава в ръцете си, кариес, между другото, Cordierit се открива от брега на Норвегия и с помощта на този кристал може наистина да навигира В светлината на здрача в вечерната светлина, както и в полярни ширини. И този ефект беше използван от американските военновъздушни сили до 50-те години, когато дойдоха по-напреднали начини да се замени. Но друг интересен ефект - Александрит, ако някой има желание, аз донесох кристал синтетичен александрит, а цветът му се променя в зависимост от източника на светлина: на ден и електрически. И накрая, друг интересен ефект, който много векове не можеше да разбере учените и историците на изкуството. Купата на Лихург е обект, който е направен от римски занаятчии преди повече от 2 хиляди години. В разпръсната светлина тази купа има зелен цвят и в миналото - червено. И беше възможно да се вземе буквално преди няколко години. Оказа се, че купата не е направена от чисто стъкло, но съдържа златни наночастици, които създават този ефект. Сега разбираме естеството на цвета - цветът е свързан с определени абсорбционни диапазони, с електронна структура на веществото и това от своя страна е свързано с атомната структура на веществото.

Въпрос от залата:Понятията "отразени" и "преминаване" могат да бъдат обяснени?

Артем Оганов:Мога! Между другото, отбелязвам, че тези много абсорбционни спектри се определят защо cordiiis е различен цвят в различни посоки. Факт е, че самата структура е кристална, по-специално, сърдиите - изглежда различно в различни посоки, а светлината в тези посоки се абсорбира по различни начини.

Какво е бяла светлина? Това е целият спектър от червено до виолетово, а когато светлината преминава през кристала, част от този диапазон се абсорбира. Например, кристал може да абсорбира синьо и какво ще се случи в резултат на това, можете да видите от тази таблица. Ако поглъщате сините лъчи, тогава на изхода ще имате оранжев цвят, т.е. когато видите нещо оранжево, знаете, че това вещество абсорбира в синия диапазон. Разпръснатата светлина е, когато имате една и съща купа Licharge на масата, светлината пада, а част от тази светлина разсейва и пада в очите ви. Светлият разпръсква се изцяло различни закони и по-специално зависи от зърното на обекта. Благодарение на разсейването на светло синьо небе. Има закон за разсейването на Rayleigh, с което можете да обясните тези цветове.

Доказах ви как свойствата са свързани със структурата. И как мога да предсказам кристалната структура, сега ще погледнем накратко. Така че задачата за предсказване на кристални структури доскоро се счита за нерешена. Тази задача е формулирана, както следва: Как да намерим местоположението на атомите, което дава максимална стабилност - това е най-ниската енергия? Как да го направим? Можете, разбира се, да преминете през всички опции за местоположението на атомите в пространството, но се оказва, че такива опции са толкова много, че нямате достатъчно живот, за да преминете, всъщност, дори за доста прости системи, Да речем, с 20 атома, ще ви трябват повече от време на живот на Вселената, за да преминете през всички тези възможни комбинации на компютъра. Ето защо се смяташе, че тази задача е безспорна. Въпреки това, тази задача беше решена и няколко метода и най-ефективният метод, въпреки че може да бъде разработен от моята група. Методът се нарича "успех", "USPEX", еволюционен метод, еволюционен алгоритъм, същността на която ще се опитам да ви обясня сега. Задачата е еквивалентна на намирането на глобален максимум върху многоизмерна повърхност - за простота, помислете за двуизмерна повърхност, повърхността на земята, където трябва да намерите най-високата планина, без да имате карти. Да го формулираме, както е формулирано това е моята австралийска колега Ричард Клег - той е австралийски, той обича кенгуру, и в текста си с кенгуру, достатъчно не интелектуални животни, трябва да определите най-високата точка на земната повърхност. Kangaroo разбира само прости инструкции - отидете нагоре, слез. В еволюционния алгоритъм ние отхвърляме кацането Kangaroo, случайно, в различни точки на планетата и даваме на всеки от тях инструкциите: отидете нагоре, на върха на най-близкия хълм. И те отиват. Когато тези кенгуру стигнат до планините на врабчето, например, и когато става въпрос за Елбрус, и тези, които не са имали високо, са изместени, стреля. Хънтърът идва, почти каза художника, ловецът идва и стреля, а онези, които са оцелели, получават правото да се размножават. И благодарение на това е възможно да се открият най-обещаващите области на пространството за търсене. И стъпка по стъпка, стреляйки повече и по-висша кенгуру, премествате популацията на кенгуру до глобалния максимум. Кенгуру ще произведе все по-успешно потомство, ловците ще стрелят все повече и по-високо катерене кенгуру, и по този начин можете просто да карате това население.

И това е същността на еволюционните методи. За простота, аз намалявам техническите подробности, както именно изпълнено. И ето още едно двуизмерно прилагане на този метод, има енергия, трябва да намерим самата синя точка, нашия оригинал, случайни структури са тези дебели точки. Изчислението незабавно разбира кои от тях са лоши, тук в червените и жълтите райони, които от тях са най-обещаващите: в сини, зеленикави полета. И стъпка по стъпка плътността на тестването на най-обещаващите зони нараства, докато не намерим най-адаптирана, най-стабилната структура. Съществуват различни методи за прогнозиране на структурите - методи за случайно търсене, изкуствено отгряване и т.н., но най-мощният метод беше това, еволюционно.

Най-трудното е как да произвеждаме потомци от родителите на компютъра. Как да приемате две родителски структури и да направите дете от тях? Всъщност можете да правите деца не само от двама родители на компютъра, ние експериментирахме, ние се опитахме от три и от четири да направим. Но, както се оказва, тя не води до нищо добро, точно както в живота. Детето е по-добре, ако двама родители. Един родител, между другото, работи, двама родители са оптимални и три или четири вече не работят. Еволюционният метод има няколко интересни характеристики, които между другото са спрямо това с биологична еволюция. Виждаме как от неподходящи случайни структури, от които започваме изчислението, силно организираните, силно поръчаните решения се появяват по време на изчислението. Виждаме, че изчисленията са най-ефективни, когато населението на структурите е най-разнообразно. Най-стабилната и най-оцелелите популации са многообразие. Например, това, което обичам Русия, е фактът, че в Русия - 150 с повече от нации. Има блондинка, има тъмнокоси, има всички видове кавказки граждани като мен, и всичко това дава на руската стабилност на населението и бъдещето. Монотонните популации на бъдещето нямат. Това може да се види от изчисленията на еполите изключително ясно.

Можем ли да предскажем, че стабилната форма на въглерод при атмосферното налягане е графит? Да. Това изчисление е много бързо. Но в допълнение към графит, ние произвеждаме няколко интересни малко по-малко стабилни решения в същото изчисление. И тези решения също могат да бъдат интересни. Ако повишим налягането - графитът вече е нестабилен. И стабилният диамант, и ние също го намираме много лесно. Вижте как от нарушени първоначални структури, изчислението бързо произвежда диамант. Но преди да се намери диамантът, се произвеждат редица интересни структури. Например, тази структура е. Докато диамантът има шестоъгълни пръстени, 5 и 7 въглищни пръстена са видими. Тази структура е само леко по-ниска от стабилност Diamond, и първоначално си мислехме, че е любопитно, а след това се оказа, че това е нова, реална форма на въглерод, която е инсталирана съвсем наскоро от нас и нашите колеги. Това изчисление е направено на 1 милион атмосфери. Ако притискаме до 20 милиона атмосфера, диамантът ще престане да бъде стабилен. И вместо диаманта, много странна структура ще бъде стабилна, за стабилността, която за въглерод при такъв натиск вече предположи много десетилетия, и нашето изчисление го потвърждава.

Много от това, което беше направено както от нас, и нашите колеги с този метод, пред вас малка селекция от различни открития. Нека ми разкажа само за някои от тях.

С този метод можете да замените лабораторното отваряне на материали на компютър. В лабораторното отваряне на материали, ненадминатът шампион беше Едисон, който каза: "Аз не страдам 10 хиляди неуспехи, намерих само 10 хиляди начина, които не работят." Тя ви разказва за това колко опити се нуждаят от неуспешни опити за извършване преди извършване на истинско откритие по този метод и с помощта на компютърния дизайн можете да търсите успех в 1 опит от 1, 100 от 100, 10 хиляди от 10, 10 хиляди от 10 Хиляда, това е нашата цел е да заменим метода на Едисон върху нещо много по-продуктивно.

Сега можем да оптимизираме не само енергията, но и всеки имот. Най-простият имот е плътността, а най-гъст материал от известния диамант е все още. Алмаз обикновено записва държач по много начини. Диамантът кубичният сантиметър съдържа повече атоми, отколкото в кубичен сантиметър от всяко друго вещество. Алмаз - държач за хардуер, и това е и най-малкото сгъстимо вещество от тези, известни. Възможно ли е да победите тези записи? Сега можем да зададем този въпрос на компютъра и компютърът ще отговори. И отговорът е да, можете да победите някои от тези записи. Оказа се, че на плътността на диаманта да се бие доста лесно, има по-плътни форми на въглерод, които отговарят на условията за съществуване, но все още не се синтезират. Тези въглеродни форми бият диамант не само чрез плътност, но и от оптични свойства. Те ще имат по-високи индекси и дисперсия на светлината - какво означава това? Индексът на пречупване на диаманта осигурява диамант до ненадминатото си блясък и вътрешно отражение на светлината - и дисперсията на светлината означава, че бялата светлина ще се раздели на спектъра от червено до виолетово дори повече от диаманта го прави. Тук, между другото, материалът, който често замества диаманта в бижута, е кубичен циркониев диоксид, fianit. Той надвишава диаманта върху дисперсията на светлината, но за съжаление е по-ниско от блестящия диамант. И новите въглеродни форми ще спечелят диамант върху двата показателя. Какво ще кажете за твърдост? До 2003 г. се смяташе, че твърдостта е собственост, която хората никога няма да се научат да предсказват и очакват, през 2003 г. всичко се е променило с работата на китайски учени и това лято посетих университета в Янкан в Китай, където получих друга степен Почетен професор и там посетих основателя на цялата тази теория. Тази теория успяхме да развием.

Ето една таблица, която показва как очакваните определения на твърдостта са в съответствие с експеримента. За повечето нормални вещества, съгласието е отлично, но за графит моделът прогнозира, че трябва да бъде супер хумус, който очевидно е неправилен. Успяхме да разберем и премахнем тази грешка. И сега, с помощта на този модел, ние надеждно предвиждаме твърдост за всякакви вещества и можем да зададем следния въпрос на компютъра: какво е най-трудното вещество? Възможно ли е да надхвърлим диаманта на твърдостта? Хората всъщност мислеха за това много няколко десетилетия. И така, каква е твърдата структура на въглерода? Отговорът беше обезкуражаващ: диамант, и не може да има нищо по-твърдо в въглерод. Но можете да намерите въглеродни структури, които ще бъдат близо до диамант. Въглеродните структури, които са близо до твърдостта на диаманта, наистина имат право да съществуват. И един от тях е този, който ви показах преди, с 5 и 7-членен канал. Дубровия през 2001 г. беше предложен в литературата ултрафално вещество - титанов диоксид, вярваше, че съм бил подразбиращ се на диаманта, но имаше съмнения. Експериментът беше доста спорен. Почти всички експериментални измервания от тази работа бяха рано или по-късно опровергани: твърдостта, която трябва да се вземе, беше много трудна, поради малкия размер на пробите. Но изчислението показва, че твърдостта също е погрешно измерена в експеримента, а истинската твърдост на титанов диоксид е около 3 пъти по-малка от твърдите експериментатори. Така че с този вид изчисления можете дори да прецените какъв експеримент е надежден, което не е така, така че тези изчисления вече са достигнали висока точност.

Друга история, която бих искал да ви кажа, е свързана с въглерод - тя е особено бързо разгръщаща през последните 6 години. Но тя започна преди 50 години, когато такъв експеримент се проведе от американските изследователи: те взеха графит и го стиснаха на натиск от около 150-200 хиляди атмосфери. Ако графитът е компресиран при високи температури, той трябва да влезе в диаманта, най-стабилната форма на въглерода при високо налягане е точно толкова диамант и синтез. Ако правите този експеримент при стайна температура, тогава диамантът не може да се образува. Защо? Тъй като преструктурирането на структурата, която е необходима за трансформиране на графит в диаманта, твърдите вещества са големи, твърде за разлика от тези структури, а енергийната бариера е твърде голяма, за да се преодолее. И вместо формирането на диамант, ние ще наблюдаваме образуването на някаква друга структура, а не най-стабилната, но тази, която най-малкото висока бариера на образованието. Предлагахме такава структура - и я наричахме M-Carbon, това е най-голямата структура с 5- и 7-членен ринг; Арменските ми приятели шегово го наричат \u200b\u200b"Mugleod-Schmugarod". Оказа се, че тази структура напълно описва резултатите от опита преди 50 години, а опитът се повтаря многократно. Опитът, между другото, е много красиво - притискане при стайна температура Графит (черен, мек непрозрачен полуметичен), под натиск, изследователите са получили прозрачен супер-висок неметал: напълно фантастична трансформация! Но това не е диамант, неговите свойства не са в съответствие с диаманта, а нашият хипотетичен тогава структурата напълно описва свойствата на това вещество. Бяхме ужасно радостни, написахме статия и го публикувахме в престижния вестник за физически писма и се вгледахме в гладката година на лаврите. Година по-късно американски и японски учени намериха нова структура, напълно различна от нея, с 4 и 8-членни пръстена. Тази структура е напълно различна от нашите, но почти също описва експериментални данни. Проблемът е, че експерименталните данни са ниски и много други структури са подходящи за тях. За още шест месеца китайците поканиха W-въглерод върху името и W-Carbon обяснява и експерименталните данни. Скоро историята се превръща в гротеск - новите китайски групи се присъединиха към нея, а китайската любов да произвежда и намериха около 40 структури и всички те са подходящи за експериментални данни: P-, Q-, R-, S-Carbon, Q-, R-, S-Carbon, Q -Събъб, X -, Y-, Z-въглерод, M10-въглен е известен, X'-въглерод и така нататък - вече азбуката не е достатъчна. Кой е прав? Като цяло, говоренето, правата на вземанията на правотата на нашия M-въглерод първоначално бяха същите като много други.

Реплика от залата:Добре.

Артем Оганов:Това също не се случва! Факт е, че природата винаги избира екстремни решения. Не само хората с екстремисти, но и природата също е екстремист. При високи температури природата избира най-стабилната държава, защото при високи температури можете да преминете през всяка енергийна бариера, а при ниски температури природата избира най-малката бариера и само един може да бъде победител тук. Шампионът може да бъде само един - но кой точно? Възможно е да се извърши експеримент с висока резолюция, но хората са се опитали на 50 години и никой не успява, всички резултати са с ниско качество. Можете да извършите изчислението. И в изчислението би било възможно да се разгледат бариерите за активиране пред формирането на всички тези 40 структури. Но, първо, китайците все още маркират нови и нови структури, и без значение колко сте опитвали, които са равни на всеки китайски, които ще кажат: и имам друга структура, и ще ги вземете до края на живота. Бариери за активиране докато не бъдете изпратени до заслужена почивка. Това е първата сложност. Втората трудност е да се вземат предвид бариерите за активиране много и много усилено в твърдите трансформации, това е задача, която е изключително нетривна, имате нужда от специални методи и мощни компютри. Факт е, че тези трансформации не се случват в целия кристал, но в началото на малък фрагмент - ембрион, а след това се разпространява до зародиша. И моделът този зародиш е изключително трудна задача. Но открихме този метод, методът, разработен пред австрийските и американски учени и го адаптирахме към нашата задача. Успяхме да променим този метод, за да можем да разрешим тази задача веднъж завинаги. Ние определяме задачата, както следва: Ако започнете с графит, твърдо определено първоначално състояние, и крайното състояние е определено неясно - всяка тетраедрица, SP3-хибридизирана форма на въглерод (ние очакваме под налягане), а след това кои бариери ще бъдат минимални ? Този метод знае как да преброи бариерите и да намери минимална бариера, но ако определим окончателното състояние като ансамбъл от различни структури - тогава можем да решим проблема напълно. Започнахме изчисляването на трансформацията на графит - диамант като "семена", знаем, че тази трансформация не се наблюдава в експеримента, но ние се интересуваме - какво прави изчислението с тази трансформация. Чакахме малко (всъщност, това изчисление отне шест месеца на суперкомпютър) - и изчислението вместо диаманта е издадено от m-въглерод.

Като цяло, трябва да кажа, имам изключително щастлив човек, имах възможност да спечеля 1/40, защото имаше около 40 структури, които имаха равен шанс да спечелят, но отново лотариен билет отново извадих. Нашият M-Carbon спечели, ние публикувахме резултатите си в престижния нов журнал научни доклади - това е ново списание за природни групи и месец след публикуването на теоретичните резултати, резултатите от експеримента с висока резолюция, за първи път след 50 години. Изследователите от университета Йейл направиха експеримент с висока резолюция и провериха всички тези структури и се оказа, че само m-въглерод отговаря на всички експериментални данни. И сега в списъка на въглеродните форми има друг експериментално и теоретично монтиран въглероден атропс, m-въглерод.

Споменавам за друга алхимична трансформация. Под налягане се очаква всички вещества да се превърнат в метал, рано или късно, всяко вещество ще стане метал. И какво ще се случи със веществото, което първоначално вече е метал? Например, натрий. Натрият изобщо не е просто метал, но невероятен метал, описващ модела на свободните електрони, т.е. това е максималният случай на добър метал. Какво ще се случи, ако се предаде натрий? Оказва се, че натрий ще престане да бъде добър метал - в началото на натрий ще се превърне в едноизмерен метал, т.е. електричеството ще се извършва само в една посока. При по-голям натиск, ние прогнозирахме, че натрий ще загуби метал като цяло и ще се превърне в червеникаво прозрачен диелектрик и ако налягането е още по-голямо, то ще стане безцветно, като луд. Така - вземете сребърен метал, стиснете го - първо се превръща в лош метал, черен, като въглища, разберете повече - превръща се в червеникав прозрачен кристал, външно приличащ на рубин, а след това става бял, като Steklyushko. Предвиждахме го и списание за природата, където го изпратихме, отказахме да го публикуваме. Редакторът е върнал текста в продължение на няколко дни и каза: Ние не вярваме, твърде екзотично. Открихме експериментатор, Михаил Ерамцс, който беше готов да провери тази прогноза - и това е резултатът. С натиск от 110 гигапакаскулар, той е 1,1 милиона атмосфери, все още е сребърен метал, на 1,5 милиона атмосфери - черно като въглищник лош метал. С 2 милиона атмосфера - това е прозрачен червеникав неметален. И вече с този експеримент, ние много лесно публикувахме резултатите си. Това е, между другото, доста екзотично състояние на веществото, тъй като електроните вече не се намазват в пространството (както в метали), и не са локализирани върху атоми или на връзки (както в йонни и ковалентни агенти) - валентни електрони, които натрий Предоставен е метал, притиснат в кухини места, където няма атоми и те са много локализирани. Такова вещество може да се нарече електричество, т.е. Сол, където ролята на отрицателно заредени йони, аниони, не извършват атоми (казват, флуор, хлор, кислород) и групи от електронна плътност и нашата натриева форма е най-лесният и най-ярък пример за електричество от добре известен .

Можете да използвате този вид изчисления и за разбиране на същността на Земята и планетарната подпомагане. Научаваме за състоянието на земните подпочложения главно върху непреки данни, според сеизможните данни. Знаем, че има метален, състоящ се главно от желязо, сърцевината на земята и неметалното, състоящо се от магнезиеви силикати, обвивка, наречена мантия, и на повърхността - тънката кора, върху която живеем, И кои знаем много добре. И вътрешностите на земята ни не са ни непознати. Директно тестване можем само да изследваме най-голямата повърхност на земята. Sami. дълбок добре - Това е Кола Ултравау, неговата дълбочина е 12.3 километра, пробита в СССР, никой не може да се подобри. Американците се опитаха да се изкачат, счупиха този проект и го спряха. В СССР имаше огромни суми, трезч до 12 километра, тогава се случи преструктурирането и проектът беше замръзнал. Но радиусът на Земята е 500 пъти повече, и дори и дълбокият добре свръхскриваше само повърхността на планетата. Но същността на дълбините на земята определя лак на Земята: земетресение, вулканизъм, континент. Магнитното поле се образува в ядрото на Земята, което никога не стигаме до нас. Конвекция на разтопеното външно ядро \u200b\u200bна Земята и отговаря за образованието магнитно поле Земята. Между другото, вътрешното ядро \u200b\u200bна земята е солидно, а външното разтопяване е като шоколадов бонбон с разтопен шоколад и вътре в ядките - така че можете да си представите ядрото на земята. Конвекция на твърдата мантия на земята - много бавна, скоростта му е около 1 сантиметър годишно; Още горещи потоци се покачват, най-готино - надолу и това е конвективното движение на земната мантия и отговорно за отклонението на континентите, вулканизмът, земетресението.

Важен въпрос - каква е температурата в центъра на земята? Ние знаем налягането от сеизмологичните модели, а температурата не дава тези модели. Температурата се определя, както следва: знаем, че вътрешното ядро \u200b\u200bе твърдо, външното ядро \u200b\u200bе течно и че ядрото се състои от желязо. Така, ако знаете точката на топене на желязо на тази дълбочина, тогава знаете температурата на ядрото на тази дълбочина. Бяха извършени експерименти, но те дадоха несигурност от 2 хиляди степени и бяха направени изчисления и изчисленията поставят точката по този въпрос. Точката на топене на желязо на границата на вътрешното и външната ядро \u200b\u200bе около 6,4 хиляди градуса Келвин. Но когато геофизиката научиха за този резултат, се оказа, че тази температура е твърде голяма, за да възпроизвежда правилно характеристиките на магнитното поле на земята - тази температура е твърде висока. И тук физиците си спомниха, че всъщност ядрото не е чисто желязо, но съдържа различни примеси. Какво, все още не знаем точно, но сред кандидатите - кислород, силиций, сяра, въглерод, водород. Вариране на различни примеси, сравнявайки техните ефекти, беше възможно да се разбере, че точката на топене трябва да бъде намалена с около 800 градуса. 5600 градуса Келвин - такава температура на границата на вътрешните и външните ядра на Земята и тази оценка понастоящем е приета. Този ефект от понижаване на температурата на примесите, евтектично намаляване на точката на топене, добре известна, благодарение на този ефект, нашите обувки страдат през зимата - пътят падна, за да намали точката на топене и благодарение на това, трудно Сняг се движи в течно състояние и нашите обувки страдат от тази солена вода.

Но, може би най-силният пример за същото явление е сплав от дърво - сплав, която се състои от четири метали, има бисмут, олово, калай и кадмий, всеки от тези метали има относително висока температура Топенето, но ефектът от взаимното намаляване на точката на топене работи толкова много, че сплавта на дървото се топи в кипяща вода. Кой иска да направи това преживяване? Между другото, тази извадка от дърво, която купих в Ереван на черния пазар, която вероятно ще даде този опит допълнителен вкус.

Лейтеря вряща вода и аз ще запазя сплавта от дърво и ще видите как дървесните капки ще падне в стъклото.

Капки падане - всичко е достатъчно. Тя се топи при температури на гореща вода.

И този ефект се случва в ядрото на Земята, поради това, точката на топене на железната сплав намалява. Но сега следващият въпрос е: но все пак ядрото се състои? Знаем, че има много желязо и има някои леки елементи примеси, имаме 5 кандидати. Започнахме с най-малко вероятните кандидати - въглерод и водород се считат за последвани. Трябва да кажа, че доскоро малко хора обръщат внимание на тези кандидати, и двамата се считат за малко вероятни. Решихме да го проверим. С служителя на Московския държавен университет Злфя Бъжанова решихме да поемем този случай, да предричаме стабилни структури и стабилни карбиди и желязо хидриди в условията на земното ядро. Също така го направихме за силиций, където не бяха открити специални изненади - и за въглерод се оказа, че тези съединения, които се смятат за резистентни в продължение на много десетилетия, всъщност, при налягането на ядрото, земята се оказва нестабилна. И се оказва, че въглеродът е много добър кандидат, всъщност само чрез въглерод може да обясни много свойства на вътрешното ядро \u200b\u200bна Земята перфектно, противно на предишните произведения. Водородът се оказа доста лош кандидат, само с водород не може да се обясни с никоя собственост на земното ядро. Водородът може да присъства в малки количества, но той не може да бъде основният елемент - примес в ядрото на Земята. За хидридните хидроди под налягане ние също намерихме изненада - се оказа, че има устойчива връзка с формулата, която противоречи на училищната химия. Нормален химик на хидридните формули ще пише като Feh 2 и Feh 3, като цяло, все още има под налягане и те са дошли с това - но фактът, че FEH 4 може да се появи под натиск, се превърна в истинска изненада . Ако нашите деца в училището ще напишат формула 4 FEH, гарантирам, че те ще получат два пъти по химия, най-вероятно, дори една четвърт. Но се оказва, че под натиск са нарушени правилата на химията - и се случват такива екзотични съединения. Но както казах, жлезите хидрид са малко вероятно да имат значение за закритите на земята, малко вероятно е водородът да присъства в значителни количества, но е най-вероятно въглеродът.

И накрая, последната илюстрация, за мантията на земята, или по-скоро около границата на ядрото и мантията, така наречения слой D ", който има много странни свойства. Една от имотите е анизотропията на разпространението на сеизмични вълни, звукови вълни: във вертикалната посока и в хоризонталната посока на скоростта се различават значително. Защо е така? Дълго време не можех да разбера. Оказва се, че в слоя на ядрото и мантията на земята се образува нова структура на магнезиев силикат. Успяхме да разберем това преди 8 години. В същото време ние и нашите японски колеги са публикували 2 произведения в науката и природата, която доказва съществуването на това нова структура. Може да се види незабавно, че тази структура изглежда напълно различна в различни посоки, а нейните свойства трябва да се различават по различни посоки - включително еластичните свойства, които са отговорни за разпределението на звуковите вълни. С помощта на тази структура всички тези физически аномалии бяха усвоени да обяснят и предават проблеми от много години. Възможно е дори да се правят няколко прогнози.

По-специално, на по-малки планети, като Меркурий и Марс, няма да има слой като слой D ". Няма достатъчно натиск за стабилизиране на тази структура. Също така е възможно да се предскаже, че като охлаждането на земята този слой трябва да расте, защото стабилността на пост-перовските расте с намаляване на температурата. Възможно е, когато земята е оформена, този слой изобщо не е бил роден в ранната фаза на развитието на нашата планета. И всичко това може да се разбира поради прогнозите за нови структури на кристални вещества.

Реплика от залата:Благодарение на генетичния алгоритъм.

Артем Оганов:Да, въпреки че това е това последна история Пост-певровската е предшествана от изобретението на този еволюционен метод. Между другото, тя ме наведе за изобретяването на този метод.

Реплика от залата:Така 100 години от този генетичен алгоритъм, там все още не са го направили.

Артем Оганов:Този алгоритъм е създаден от мен и моя студент през 2006 година. Между другото, да го наричате "генетичен" неправилно, толкова по-правилно име е "evlivational". Еволюционните алгоритми се появяват през 70-те години и намериха използването в много области на технологиите и науката. Например, автомобили, кораби и самолети са оптимизирани с помощта на еволюционни алгоритми. Но за всяка нова задача еволюционният алгоритъм е напълно различен. Еволюционните алгоритми не са един метод, но огромна група методи, цяла огромна област на приложна математика и за всеки нов вид задачи, от които се нуждаете, за да измислите нов подход.

Реплика от залата:Каква математика? Генетиката е.

Артем Оганов:Това не е генетика - това е математика. И за всяка нова задача трябва да измислите новия си алгоритъм от нула. И хората всъщност се опитаха да измислят еволюционни алгоритми и да ги адаптират, за да предскажат кристални структури. Но те взеха твърде буквално алгоритми от други области - и не работи, така че трябваше да създадем нов метод от нулата и се оказа много мощен. Въпреки че регионът на еволюционните алгоритми съществува приблизително толкова, колкото аз съм поне от 1975 г., за прогнозиране на кристални структури са необходими доста големи усилия за създаване на работен метод.

Всички тези примери, които ви показвам, като разбиране на структурата на веществото и способността да се предскаже структурата на веществото води до проектиране на нови материали, които могат да имат интересни оптични свойства, механични свойства, електронни свойства. Материали, които съставляват земята на земята и другите планети. В този случай можете да решите цялата гама от интересни задачи на компютър, като използвате тези методи. Огромен принос за развитието на този метод и неговото прилагане направи моите служители и повече от 1000 потребители на нашия метод в различни части на света. Всички тези хора и организатори на тази лекция, и вие - за вашето внимание - нека да благодаря топло.

Дискусионни лекции

Борис долгин: Много благодаря! Благодаря ви много, Artyom, много ви благодаря на организаторите, които ни дадоха платформа за тази версия на публичните лекции, благодаря ви много, което ви подкрепих в тази инициатива, сигурен съм, че изследванията на Artem ще продължат, това означава, че това означава Ще има нов материал за лекцията му. Защото трябва да кажа нещо от онова, което звучеше днес, всъщност, по време на предишните лекции, всъщност не съществуваше, затова има смисъл.

Въпрос от залата:Кажете ми, моля, как да осигурите стайна температура при високо налягане? Всяка система от пластмасова деформация е придружена от генериране на топлина. За съжаление не казахте за това.

Артем Оганов:Факт е, че всичко зависи от това колко бързо се компресирате. Ако компресията се извършва много бързо, например, в ударни вълни, тя непременно се придружава от нагряване, рязкото компресия води до растежа на температурите. Ако сте бавна компресия, тогава една проба е достатъчно достатъчно, за да обменя топлината с околната среда и да стигне до термично равновесие със своята среда.

Въпрос от залата:И инсталацията ви дава възможност да направите?

Артем Оганов:Експериментът не беше изразходван от мен, аз направих само изчисления и теория. Не си позволявам си за експеримента за вътрешна цензура. И опитът се осъществява в камери с диамантени наковала, където проба се притиска между два малки диаманта. В такива експерименти, пробата има толкова много време да стигне до термичното равновесие, че въпросът не възниква тук.

Същността на търсенето на най-стабилната структура се свежда до изчисляването на такова състояние на вещество, което има най-ниската енергия. Енергията в този случай зависи от електромагнитното взаимодействие на ядрата и електроните на атомите, от които изследва кристал. Може да се оценява с помощта на квантово-механични изчисления въз основа на опростеното уравнение на Schrödinger. Така в използвания алгоритъм на USPEX теория на плътността функциякоето е разработено през втората половина на миналия век. Неговата основна цел е да се опростят изчисленията на електронната структура на молекулите и кристалите. Теорията ви позволява да замените функцията на мултиелектронната вълна на електронната плътност, като оставате формално точна (но всъщност приближението се оказва неизбежно). На практика това води до намаляване на сложността на изчисленията и в резултат на това времето, което ще бъде изразходвано за тях. Така, квантово-механичните изчисления се комбинират с еволюционен алгоритъм в USPEX (фиг. 2). Как работи еволюционният алгоритъм?

Възможно е да се търсят структури с най-ниската енергия: случайно позициониране на атомите един спрямо друг и анализира всяко такова състояние. Но тъй като броят на опциите е огромен (дори ако атомите са само 10, тогава възможностите на тяхното местоположение един спрямо всеки друг ще бъдат около 100 милиарда), тогава изчислението ще отнеме също много. Ето защо успехът на учените успя да постигне само след развитието на по-хитър метод. Алгоритъмът на USPEX се основава на еволюционен подход (фиг. 2). Първо, малък брой структури се генерират на случаен принцип и се изчислява тяхната енергия. Опции с най-висока енергия, т.е. най-малко стабилна, системата се отстранява и от най-стабилната генерира подобна и изчислява тях. В същото време на случаен принцип компютърът продължава да генерира нови структури за поддържане на разнообразието на населението, което е неразделно условие за успешна еволюция.

Така проблемът за прогнозиране на кристалните структури помогна на логиката, взета от биологията. Трудно е да се каже, че в тази система има ген, защото новите структури могат да се различават от техните предшественици с много различни параметри. Най-адаптиран към условията за подбор "индивиди" оставят потомството, т.е. алгоритъмът, който се учи в грешките си, максимизира шансовете за успех в следващия опит. Системата доста бързо намира вариант с най-ниската енергия и ефективно изчислява ситуацията, когато структурната единица (клетка) съдържа десетки и дори първите сто атоми, докато предишните алгоритми не могат да се справят с десет.

Една от новите задачи, поставени пред USPEX в MIPT, е прогнозата на третичната структура на протеините чрез тяхната аминокиселинна последователност. Този проблем на съвременната молекулярна биология е сред ключа. Като цяло, преди учените, задачата е много трудна и защото е трудно да се изчисли енергията за такава сложна молекула като протеин, трудно. Според Artem Oganova неговият алгоритъм вече е в състояние да предскаже структурата на пептидите около 40 аминокиселини.

Видео 2. Полимери и биополимери. Какви вещества се отнасят до полимери? Каква е структурата на полимера? Колко често е използването на полимерни материали? За това каза професор, д-р в кристалография Artem Oganan.

USPEXA обяснение

В един от неговите научни и популярни артитеж Оганов (фиг. 3) описва USPEX както следва:

"Тук е фигуративен пример за демонстриране на обща идея. Представете си, че трябва да намерите най-високата планина на повърхността на неизвестна планета, на която царува пълна тъмнина. За да се спестят ресурси, важно е да се разбере, че не се нуждаем от пълна релефна карта, а само най-високата си точка.

Фигура 3. Артем Ромаевич Йоганов

Вие се приземявате на планетата малко кацане на Биоробо, което ги изпраща един по един на произволни места. Инструкцията, която всеки робот трябва да изпълнява, е да премине по повърхността срещу силите на гравитационната атракция и в резултат на достигане на върховете на най-близкия хълм, координатите, които той трябва да информира орбиталната база. Ние нямаме средства за голям конкурентен контингент и вероятността един от роботите незабавно да вземе най-високата планина, изключително малка. Ето защо е необходимо да се приложи добре познат принцип на руската военна наука: "по-добре не по броя и способността", въведена тук под формата на еволюционен подход. Затихването на най-близкия съсед, роботите се срещат и се възпроизвеждат като това, като ги подреждате по линията между "техните" върхове. Потомството на биореоботите продължава да изпълнява същите инструкции: те се придвижват към издигането на релефа, проучвайки региона между двата върха на техните "родители". Тези "индивиди", които идват върховете под средното ниво, реагират (това се подбира) и кацане на произволно произволно (това е симулирано поддържане на "генетичното разнообразие" на населението) ".

Как да оценим грешката, с която работи USPEX? Можете да зададете задача с предварително известен правилен отговор и да го решите 100 пъти със 100 пъти с помощта на алгоритъм. Ако правилният отговор е получен в 99 случая, вероятността за изчисляване на грешката ще бъде 1%. Обикновено, правилните прогнози се получават с вероятност 98-99%, когато броят на атомите в елементарната клетка е 40 броя.

Еволюционният алгоритъм на USPEX доведе до много интересни открития и дори за развитието на нова лекарствена форма на лекарство, което ще бъде обсъдено по-долу. Чудя се какво ще бъде, когато се появят суперкомпютри на новото поколение? Ще се промени ли кристалната структурна прогноза алгоритъм? Например, някои учени са ангажирани в разработването на квантови компютри. В бъдеще те ще бъдат много по-ефективни от най-модерните модерни. Според Artem Oganova еволюционните алгоритми ще напуснат водещата позиция, но ще започнат да работят по-бързо.

Указания на лабораторията: от термоелектрици до наркотици

USPEX се оказа алгоритъм не само ефективен, но и многофункционален. В момента под ръководството на Артем Оганова се провеждат много научни статии в различни посоки. Някои от най-новите проекти са опит за симулиране на нови термоелектрически материали и прогнозиране на структурата на протеините.

"Имаме няколко проекта, един от тях е изследването на нискоизмерни материали, като наночастици, материални повърхности, Друг е изследването на химикали под високо налягане. Има и друг интересен проект, свързан с прогнозата на нови термоелектрически материали. Сега вече знаем, че адаптацията на метода за прогнозиране на кристалните структури, които сме измислили, термоелектрическите задачи работят ефективно. В момента сме готови за голям идиот, резултатът от това когото трябва да бъде откритието на нови термоелектрически материали. Вече е ясно, че методът, който създадохме за термоелектрици, е много силен, изразходваните тестове са успешни. И ние сме напълно готови да търсим нови материали. Ние също така се занимаваме с прогнозата и изучаването на нови високотемпературни свръхпроводници. Ние задаваме въпроса за предсказване на структурата на протеините. Това е нова задача за нас и много любопитни. "

Интересното е, че USPEX вече е ползвал дори лекарство: "Освен това разработваме нови лекарства. По-специално, ние бяхме предсказани, беше получена нова медицина и патентована, - казва на A.R. Йоган. - Това е хидрат 4-аминопиридин, лекарство от множествена склероза ".

Говорим за наскоро патентованата лаборатория по компютърни дизайнерски материали от Валери Росизен (фиг. 4), анастасия Наумова и Artem Ogana, която позволява симптоматично да лекува множествена склероза. Патентен външен, който ще спомогне за намаляване на цената на лекарството. SCARM склероза е хронично автоимунно заболяване, т.е. една от тези патологии, когато е собствена имунната система Харс Собственикът. В същото време миелиновата обвивка на нервните влакна е повредена, която обикновено извършва електрически изолационна функция. Много е важно за нормалната работа на невроните: токът върху растежа на нервните клетки, покрит с миелин, се извършва 5-10 пъти по-бързо, отколкото на открито. Ето защо, множествената склероза води до нарушения в работата на нервната система.

Коренните причини за появата на множествена склероза остават напълно непочтени. Те се опитват да ги разберат в много лаборатории в света. В Русия това се занимава с лабораторията за биокатализа в Института по биоорганична химия.

Фигура 4. Валерий Reizen - един от авторите на патент за лекарство от склероза, \\ t Служител на лабораторията по компютърни дизайнерски материали проучва нови лекарствени форми медицински препарати и активно ангажирани в популяризирането на науката.

Видео 3. Научна и популярна лекция Валери Rosizen "вкусни кристали". Ще научите за принципите на работата на наркотиците, за важността на формата на предоставяне на лекарство в човешкото тяло и за злия близнак брат аспирин.

По-рано 4-аминопиридин в клиниката вече е използван, но учените успяват да променят химическия състав, да подобрят абсорбцията на това лекарство в кръвта. Получават те 4-аминопиридинов кристален хидрат (фиг. 5) със стехиометрия 1: 5. В тази форма самата лекарства е патентована и методът за получаване. Веществото подобрява излъчването на невротрансмитери в невромускулни синапси, което улеснява благосъстоянието на пациентите с множествена склероза. Заслужава да се отбележи, че такъв механизъм предполага лечението на симптомите, но не и самата болест. В допълнение към бионаличността, основният момент в новото развитие е следният: тъй като е възможно да се "заключи" 4-аминопиридин в кристала, той стана по-удобен за употреба в медицината. Кристалните вещества са относително лесни за получаване в пречистена и хомогенна форма, а свободата на лекарството от потенциално вредни примеси е един от ключовите критерии за добро лекарство.

Откриване на нови химически структури

Както бе споменато по-горе, USPEX ви позволява да намерите нови химически структури. Оказва се, че дори и "обичайният" въглерод има свои загадки. Въглеродът е много интересен химически елемент, защото образува богат набор от структури, вариращи от суперхард диелектрици, завършващи с меки полупроводници и дори свръхпроводници. Към първия може да се включи Diamond и Lansdalet, към втория графит, към третия - някои fullerenes при ниски температури. Въпреки голямото разнообразие от известни въглеродни форми, учените под ръководството на Артем Оганова успяха да отворят фундаментално нова структура: не беше известно, че въглеродът може да образува комплекси в типа "гост" (фиг. 6). Работата участва в работата на лабораторията за компютърно проектиране на материали (фиг. 7).

Фигура 7. Олег Фея, магистър по МФНИ, служител на лабораторията по компютърни дизайнерски материали и един от авторите на отворената въглеродна структура. В свободно време Олег се занимава с популяризиране на науката: неговите статии могат да бъдат намерени в публикациите "Cat Schrödinger", "за науката", strf.ru, "Rosatom". В допълнение, Олег - победител в Москва Научен шлем. И участникът на телевизионното шоу "Smart".

Взаимодействието на "гост-собственика" се проявява например в комплекси, състоящи се от молекули, които са свързани към невирулентни връзки. Това означава, че определен атом / молекула заема определено място в кристалната решетка, но тя не образува ковалентна връзка с околните съединения. Такова поведение е широко разпространено сред биологичните молекули, които се свързват помежду си, образувайки трайни и големи комплекси, които изпълняват различни функции в нашия организъм. Като цяло, поради съединението, състоящо се от два вида структурни елементи. За вещества, образувани само от въглерод, такива форми не са известни. Учените са публикували откриването си през 2014 г., разширявайки познанията си за свойствата и поведението на 14-та група от химични елемента като цяло (фиг. 8). Отбелязва се, че в отворената въглеродна форма се образуват ковалентни връзки между атомите. Ние говорим за вида на домакин-собственикът се дължи на наличието на добре изразени два вида въглеродни атоми, които имат напълно различна структурна среда.

Нова химия под високо налягане

В лабораторията на компютърни дизайнерски материали се изследват кои вещества ще бъдат стабилни при високо налягане. Така ръководителят на лабораторията твърди лихви към такива изследвания: "Ние изучаваме материали под високо налягане, по-специално нова химия, която се появява при такива условия. Това е много необичайна химия, която не се вписва в правилата на традиционните. Знанията, придобити на нови връзки, ще доведат до разбиране за това, което се случва в планетите. Тъй като тези необичайни химикали могат да се показват като много важни материали от планетарното подпочвено положение. " Трудно е да се предскаже как се държат високо налягане вещества: повечето от химичните правила спират да работят, защото тези условия са много различни от обичайните. Въпреки това е необходимо да се разбере това, ако искаме да знаем как е подредена вселената. Лъвският дял на барионната субстанция на Вселената е именно високо налягане в планетите, звездите, сателитите. Изненадващо е много малко за химията му.

Нова химия, която се осъществява при високо налягане в лабораторията по компютърни дизайнерски материали на MFTI проучвания д-р (степен, подобна на кандидатът на науката) Gabriele Saleh (Gabriele Saleh):

"Аз съм химик и се интересувам от химията при високи налягания. Защо? Тъй като имаме правилата на химията, които са били формулирани преди 100 години, но наскоро се оказа, че те престават да работят при високо налягане. И това е много интересно! Прилича на лунния парк: има явление, което никой не може да обясни; Разгледайте новото явление и се опитайте да разберете защо се случва - е много интересно. Започнахме разговор с фундаментални неща. Но в реалния свят съществува високо налягане. Разбира се, не в тази стая, но вътре в земята и на други планети " .

Тъй като съм химик, се интересувам от химия под високо налягане. Защо? Тъй като бяха създадени химически правила преди сто години, но наскоро беше открито, че тези правила се разбиват при високо налягане. И това е много интересно! Това е като Loonopark, защото имате феномен, който никой не може да рационализира. Интересно е да изучавате ново явление и да се опитате да разберете защо се случва. Започнахме от основната гледна точка. Но тези високо налягане съществуват. Не в тази стая, разбира се, но в вътрешността на ушите и на други планети.

Фигура 9. Възнакова киселина (Н203) е стабилна структура под налягане. В вмъкването отгоре Показва се, че оси С. Се образуват полимерни структури. Изследването на въглерод-кислород-водородната система под високо налягане е много важно за разбирането на начина, по който са подредени планетите. Н20 (вода) и СН 4 (метан) са основните компоненти на някои гигантски планети - например, Нептун и уран, където налягането може да достигне стотици GPA. Големи ледени сателити (Хеморнад, Калисто, Титан) и кометите съдържат и вода, метан и въглероден диоксид, който се прилага към няколко GPA.

Габриел ни разказа за новата си работа, която наскоро беше приета за публикуване:

"Понякога се занимавате с фундаментална наука, но след това откривате пряко прилагане на придобитите знания. Например, наскоро изпратихме статия за публикуване, в която описваме резултатите от търсенето за всички стабилни съединения, получени от въглерод, водород и кислород при високо налягане. Открихме един, стабилен при много нисък натиск, като например 1 GPA И те бяха въглища H2CO 3 (Фиг. 9). Изучавах астрофизична литература и установих, че сателитите на Ganymed и Callisto [сателити на Юпитер] се състоят от вода и въглероден диоксид: от молекули, образуващи въглища. Затова осъзнахме, че нашето откритие предполага образование там. възнакова киселина. Това е, което казах: всичко започна с фундаментална наука и завърши с нещо важно за изучаването на сателитите и планетите " .

Обърнете внимание, че такъв натиск се оказва нисък върху онези, които по принцип могат да бъдат намерени във вселената, но с висока степен в сравнение с тези, които действат върху нас на повърхността на земята.

Така че понякога изучавате нещо за фундаментална наука, но след това откривате, че има правилно приложение. Например ние току-що представихме хартия, в която взехме въглерод, водород, кислород при високо налягане и се опитахме да търсим всички стабилни съединения. Открихме една, която е въглеродна киселина и е стабилна в много ниско налягане като един gigapascal. Разследвах литературата астрофизиката и открих: има сателити като Ганимед или Калисто. На има въглероден двустранен и вода. Молекулите, които образуват тази карбонова киселина. Затова осъзнахме, че това откритие означава, че вероятно ще има въгленова киселина. Това е, което искам да кажа, за да започна за фундаментално и откриване на нещо, което е приложимо за планетарната наука.

Друг пример за необичайна химия, която може да бъде доведена по отношение на добре познатата готварска сол, NaCl. Оказва се, че ако можете да създадете налягане от 350 GPA в солта си, тогава ще получите нови връзки. През 2013 г. под ръководството на A.R. Oganova беше показано, че ако е било високо налягане до NaCl, необичайните съединения ще станат стабилни - например NaCl 7 (Фиг. 10) и Na3C1. Интересно е, че много от отворените вещества са метали. Gabriele Saleh и Artem Oganov продължиха да пионер, която показа екзотичното поведение на натриевите хлориди под високо налягане и разработи теоретичен модел, който може да се използва за предсказване на свойствата на съединенията алкални метали С халогени.

Те описаха правилата, които тези вещества подлежат на такива необичайни условия. Използвайки алгоритъма на USPEX, няколко съединения с формула A 3Y (A \u003d Li, Na, K; Y \u003d F, CI, Br) са теоретично под налягане до 350 GPA. Това доведе до откриването на хлоридни йони в окислено състояние -2. "Стандартна" химия забранява това. При такива условия могат да бъдат оформени нови вещества, например, с химична формула Na4C13.

Фигура 10. Кристална структура на NaCl конвенционалната сол ( наляво) и необичайно съединение NaCl 7 ( на дясно), стабилен под налягане.

Химията се нуждаят от нови правила

Габриеле Салех (фиг. 11) говори за неговото проучване, насочено към описание на новите правила на химията, която би имало предсказуема сила не само при стандартни условия, но и ще опише поведението и свойствата на веществата под високо налягане (фиг. 12 ).

Фигура 11. Габриел Салех (Габриеле Салех)

"Преди две или три години професор Йоганов откри, че такава проста сол, като NaCl, не е толкова прост: натрий и хлор могат също да образуват други връзки. Но никой не знаеше защо. Учените изпълниха изчисленията, получени резултати, но останаха неизвестни, защо всичко се случва така, а не иначе. От училището изучавам химическа връзка и по време на проучването успях да формулирам някои правила, логично да обясня какво се случва. Учих как електроните се държат в такива съединения и са стигнали до общите закони, характерни за тях под високо налягане. За да проверим дали тези правила са плод на моето въображение или все още обективно правилно, прогнозирах структурата на подобни връзки - лиж или NaBR и по-сходни. И наистина - следва да се спазват общите правила. Ако за кратко, видях, че има следната тенденция: когато приложите налягането към такива съединения, те образуват структурата на двуизмерния метал, а след това - едноизмерно. След това, при много високо налягане, започват да се появяват повече диви неща, защото хлорът в този случай ще бъде степента на окисление -2. Всички химици знаят, че хлорът има степен на окисление -1, това е типичен пример от учебника: натрий губи електрона и хлор го приема. Следователно, оксидативните номера се получават съответно +1 и -1. Но под високо налягане всичко работи погрешно. Показахме, че с помощта на някои подходи за анализ на химическите облигации. Също така по време на работата, търсех специална литература, за да разбера дали някой вече е наблюдаван такива закономерности. И се оказа, че да, гледаше. Ако не съм грешен, натриевата бисмат и някои други връзки са предмет на описаните правила. Разбира се, това е само началото. Когато публикувате следните творби по темата, ние научаваме дали нашият модел има истинска предсказуема сила. Защото точно това търсим. Искаме да опишем химическите закони, които ще бъдат спазени при високо налягане " .

Преди две или три години професор Оганов откри, че простият сол NaCl при високо налягане не е много прост и ще се образуват други съединения. Но никой не знае защо. Те направиха изчисление, което получи резултатите, но не можете да кажете кой се случва. Тъй като по време на моя доктор аз съм специализиран в изследването на химичното свързване, аз изследвах тези съединения и намирам някои RLE за рационализиране на това, което се случва. Изследвах как електроните се държат в това съединения и измислиха някои правила, които тези видове съединения следват при високо налягане. За да проверите дали моите правила са само моето въображение или е вярно, аз предсказахме нови структури на подобни съединения. Например тълпа или nabe и някои комбинации като това. И да, тези правила се оказват следват. Накратко, просто не е много специалисти, видях, че има тенденция: когато ги компресирате, ще образуват двуизмерни метали, след това едномерна структура на метал. И тогава при много високо налягане някои по-диви ще се случват, защото CL в този случай ще има окислителния номер на -2. Всички най-нисък окислителен брой на CL е -1, който е типичен учебник пример: натрий го губи. Така че имаме +1 и -1 окислителни номера. Но при много високо налягане вече не е вярно. Ние демонстрирахме това с някои подходи за анализ на химически свързващ анализ. В тази работа и аз трид да погледна литературата, за да видя дали някой е видял този вид правила преди това. И да, той се оказа, че имаше някои. Ако не греша, Na-Bi и други съединения се оказаха да следват тези правила. Това е само отправна точка, разбира се. Другите документи ще излязат и ще видим дали този модел има истинска предсказуема власт. Защото това е, което търсим. Ние искаме да скицираме химията, която ще работи и за високо налягане.

Фигура 12. Структурата на веществото с химична формула Na4C13, която се образува при налягане от 125-170 gpaТой ясно показва появата на "странна" химия под налягане.

Ако експеримент, след това селективно

Въпреки факта, че алгоритъмът на USPEX се характеризира с голяма предсказуема сила в нейните задачи, теорията винаги изисква експериментална проверка. Лабораторията за компютърни дизайнерски материали е теоретичната, както следва от името му. Ето защо, експериментите се държат в сътрудничество с други научни групи. Стратегията за изследване, приета в лабораторията, Gabriel Saleh коментира, както следва:

"Ние не провеждаме експерименти - ние сме теоретици. Но често си сътрудничим с хора, които го правят. Всъщност мисля, че обикновено е трудно. Днес науката е тясно специализирана, така че не е лесно да се намери някой, който е ангажиран както в другото " .

Ние не правим експерименти, но често си сътрудничим с някои хора, които правят експерименти. Всъщност мисля, че е трудно. Днес науката е много специализирана, така че е трудно да се намери някой, който да прави и двете.

Един от най-ярките примери е прогноза за прозрачен натрий. През 2009 г. в списанието Природа. Публикуват се резултатите от работата по ръководството на Артем Оганова. В статията учените описаха новата форма на NA, в която тя е прозрачна безметална, превръщайки се в диелектрично налягане. Защо се случва това? Това се дължи на поведението на валентните електрони: под налягане, те са изместени в кухините на кристалната решетка, образувана от натриеви атоми (фиг. 13). В същото време металните свойства на веществото изчезват и се появяват качествата на диелектриката. Налягането на 2 милиона атмосфера прави червено натрий и 3 милиона - безцветни.

Фигура 13. Натрий под налягане е повече от 3 милиона атмосфера. Син цвят Показва се кристалната структура от натриевите атоми, оранжево - Бучове от валентни електрони в кухините на структурата.

Малко хора вярвали, че класическият метал може да демонстрира такова поведение. Въпреки това, в сътрудничество с лекаря Михаил Еремез се получават експериментални данни, които напълно потвърждават прогнозата (фиг. 14).

Фигура 14. Снимки на Na пробата, получени чрез комбиниране на преминаване и отразено осветление. Различно налягане се прилага към пробата: 199 GPA (прозрачна фаза), 156 GPA, 124 GPA и 120 GPA.

Необходимо е да се работи със светлина!

Артем Йоганов ни каза какво твърди, че той поставя на своите служители:

"Първо, те трябва да имат добро образование. Второ, като работници. Ако човекът е мързелив, тогава няма да го взема, за да работя и ако изведнъж ще го взема, той ще бъде злоупотребяван. Няколко служители, които бяха мързеливи, инертни, аморфни, просто стрелях. И мисля, че е абсолютно правилно и добро дори за самия човек. Защото ако човек не е на негово място, той няма да бъде щастлив. Той трябва да отиде там, където ще работи със светлина, с ентусиасти, с удоволствие. И това е добре за лабораторията и добро за човек. И тези момчета, които наистина работят красиво, с блясък, факта, че плащаме добра заплата, отиват на конференцията, пишат статии, които след това отиват в най-добрите списания, те ще бъдат добре. Защото те са на мястото си и защото лабораторията има добри ресурси, за да ги подкрепи. Това означава, че момчетата не трябва да мислят за придобиването, за да оцелеят. Те могат да се концентрират върху науката, върху любимия си бизнес и успешно да се справят с тях. Сега сме се появили някои нови безвъзмездни средства и тя отваря възможността да наеме още няколко души. Конкурсът е постоянно. Целогодишните хора изпращат заявления, вземам, разбира се, не всички. ". (2016). 4-аминопиридин кристалид, метод за получаване, фармацевтичен състав и метод за лечение и / или превенция на нейната основа. Фис. Chem. Chem. Фис. 18 , 2840–2849;

MA Y., EREMETS M., Oganov A.R., Xie Y., Trojan I., Medvedev S. et al. (2009). Прозрачен плътна натрий. Природа. 458 , 182–185;

Lyakhov A.O., Oganov A.R., Stokes H.t., Zhu Q. (2013). Нови разработки в еволюционната структурна прогноза алгоритъм USPEX. Компютри. Фис. Commn. 184 , 1172–1182.

- Да се \u200b\u200bсправим с компютърния дизайн на нови материали. Първо, какво е това? Знание за района? Кога е идеята и този подход?

- Районът е съвсем нов, тя е само няколко години. Сама по себе си компютър дизайн на нови материали беше мечтата на изследователи, технолози, фундаментални учени в продължение на много десетилетия. Тъй като процесът на отваряне на нов материал със свойствата, от които се нуждаете, обикновено отнема много години или дори десетилетия на работа на цели институции и лаборатории. Това е много скъп процес, в края на който разочарованието може да ви чака. Това означава, че не винаги можете да измислите такъв материал. Но дори когато постигнете успех, успехът може да изисква много години работа. Това изобщо не е подходящо, ние искаме да измислим нови материали, нови технологии възможно най-бързо.

- Можете ли да дадете пример за такъв материал, който се проваля или не може да бъде изобретен?

- Да разбира се. Например, в продължение на много десетилетия хората се опитват да излязат с материала на по-трудния диамант. На тази тема имаше стотици публикации. В някои от тях хората твърдят, че материалът е намерен по-строг диамант, но след това неизбежно, след известно време (обикновено не много), тези твърдения бяха опровергани и се оказа, че това е илюзия. Досега такъв материал не е намерен и е напълно ясно защо. С нашите методи успяхме да покажем, че тя е фундаментално невъзможна, така че няма нищо друго дори да губи време.

- И ако се опитате просто да обясните защо е невъзможно?

- Такъв имот, като твърдост, има крайна граница за всеки определен материал. Ако вземем всички материали, че е възможно да се вземе, се оказва, че има известна горна граница. Това се случи, че тази горна граница съответства на диаманта. Защо Diamond? Тъй като в тази структура са изпълнени няколко условия: много силни химически връзки, много висока плътност на тези химични връзки и те са равномерно разпределени в пространството. Няма нито една посока, която би била много по-твърда от друга, тя е във всички посоки много солидно. Същият графит, например, има по-силни връзки от диаманта, но всички тези връзки са разположени в една и съща равнина и има много слаби връзки между самолетите и тази слаба посока прави целия кристал мек.

- Как се развива методът и как учените се опитват да го подобрят?

- Голямата Едисън каза, по мое мнение, поради изобретението, крушките с нажежаема жичка: "Не страдам десет хиляди пъти в провал, но намерих само десет хиляди начина, които не работят." Това е традиционен стил на търсене на нови материали, който се нарича Едисон в научната литература. И от този метод, разбира се, хората винаги са искали да се отдалечат, защото това изисква рядко израснал и едсън търпение. И много време, както и пари. Този метод не е много научен, той е по-скоро научен "tyk". И винаги хората искаха да се отдалечат от това. Когато са възникнали компютрите и те започнаха да решават повече или по-малко сложни задачи, въпросът незабавно възникна: "Възможно ли е всички тези комбинации от различни условия, температури, налягания, химически потенциали, химически състав на компютър, вместо да правят това в лабораторията? " Първоначално надеждите бяха много високи. Хората го погледнаха малко оптимистично и еуфорично, но скоро всички тези мечти се разбиха за ежедневието. Тези методи, които хората се опитват да решат, не могат да бъдат постигнати по принцип.

- Защо?

- Тъй като варианта на различно местоположение на атомите в структурата на кристала са безкрайно много, и всеки от тях ще има напълно различни свойства. Например, диамант и графит са едно и също вещество и поради факта, че структурата е различна, техните свойства са фундаментално различни. Така че тук различни вариантиРазличен от диаманта, и от графит, може да е безкрайно много. Какво ще започнете? Къде ще спрете? Колко ще продължи? И ако все още въвеждате променлива от химически състав, тогава и различни химични състави, можете също да излезете безкрайно много и задачата става непоносимо трудна. Много бързо хората осъзнаха, че традиционните, стандартни методи за решаване на този проблем не водят до абсолютно нищо. Този песимизъм напълно погреба първите се надяваха, че хората се правят, започвайки от 60-те години.

- Компютърният дизайн все още мисли или поне се усеща като визуално нещо. Разбирам, че през 60-те години, 70-те или 80-те години, това все още е решение не е визуално, но математически, т.е. това е по-бързо отчитане, броене.

- Както разбирате, когато получите цифри на компютър, винаги можете да ги визуализирате, но това не е просто това.

- Като цяло това е въпрос само за готовността на техниката.

- Да. Числен сметката е грундиран, защото от номера винаги можете да направите снимка и от картината на броя, вероятно, макар и да не е много точна. Имаше редица известни публикации от средата на 80-те години и завършвайки с средата на 90-те години, което най-накрая обедини песимизъм в нашата област. Например, имаше прекрасна публикация, в която беше казано, че дори такъв прости веществаКато графит или лед е абсолютно невъзможно да се предскаже. Или е статия, която се нарича "предсказуеми кристални структури", а първата дума на тази статия е "не".

- Какво означава "предсказуема независимо дали"?

- Задачата за предсказване на кристалната структура е ядрото на целия дизайн на нови материали. Тъй като структурата определя свойствата на веществото, след това да се предскаже веществото с желаните свойства, трябва да предскажете състава и структурата. Задачата за предсказване на кристалната структура може да бъде формулирана, както следва: Да предположим, че определяме химическия състав, да предположим, че е фиксиран, например, въглерод. Каква ще бъде най-стабилната въглеродна форма при определени условия? При нормални условия знаем отговора - той ще бъде графит; При високо налягане, ние също знаем, че отговорът е диамант. Но за да създадете алгоритъм, който може да ви даде, се оказва много трудна задача. Или можете да формулирате задача по различен начин. Например, за същия въглерод: каква е твърдата структура, съответстваща на това химичен състав? Диамантът се получава. И сега нека зададем друг въпрос: Какво е най-гъстото? Изглежда, че и диамантът, но не. Оказва се, че въглеродната форма е по-плътна, диамантът може да бъде изобретен поне на компютъра и по принцип може да бъде синтезиран. Освен това има много такива хипотетични форми.

- Дори и така?

- Дори и така. Но подравняването на диаманта не излиза. Отговори на този вид въпроси, хората се научиха да получават съвсем наскоро. Наскоро се появиха алгоритми, програми, които могат да го направят. В този случай, цялата област на изследване е свързана с нашите работи 2006 година. След това много други изследователи започнаха да участват в тази задача. Като цяло, досега не пропускаме дланта на шампионата и измисляме повече нови методи, нови и нови материали.

- "Кои сме ние?

- Това съм аз и моите ученици, студенти и изследователи.

- За да бъде ясно, защото "ние" - това е толкова много ценено, в този случай полисантичността, тя може да бъде възприемана по различен начин. И какво е революционно?

- Факт е, че хората осъзнават, че тази задача е свързана с безкрайно сложен комбинаторски проблем, т.е. броят на опциите, сред които трябва да изберете най-доброто, безкрайно. Как може тази задача да реши? Да не Можете просто да не се вградете и да се чувствате комфортно. Но открихме начин, по който тази задача може да бъде решена доста ефективно, начин на базата на еволюцията. Това може да се каже, методът на последователни приближения, когато от първоначално слабите решения пристигаме в метода на последователното подобряване на все по-напредналите решения. Може да се каже, че това е метод на изкуствен интелект. Изкуственият интелект, който прави редица предположения, някои от тях отхвърлиха и от най-правдоподобните, най-интересните структури и композиции, проектирани още по-интересни. Това е, той учи в собствената си история, защото може да се нарече изкуствен интелект.

- Бих искал да разбера как да измислите, измислете нови материали в определен конкретен пример.

- Да се \u200b\u200bопитаме да го опишем при примера на същия въглерод. Искате да предскажете какъв вид въглерод е най-твърд. Дава се малък брой случайни въглеродни структури. Някои структури ще се състоят от дискретни молекули като Fullerenes; Някои структури ще се състоят от слоеве като графит; Някои ще се състоят от въглеродни вериги, така наречените карбини; Някои триизмерни, вид диамант (но не само диамант, такива структури са безкрайно много). Първоначално генерично генерирате такива структури, след това правите локална оптимизация или това, което наричаме "релаксация". Това е, вие премествате атомите, докато получената сила на атома не се нулира, докато всички напрежения в структурата изчезнат, докато влезе в идеалния си вид или не получава най-добрата си локална форма. И за тази структура очаквате свойства, като например твърдост. Разглеждаме твърдостта на Фулерените. Има силни връзки, но само вътре в молекулата. Самите молекули са много слабо свързани, благодарение на това, твърдостта е почти нула. Погледнете графит - същата история: силни връзки вътре в слоя, слаб между слоевете и в резултат на това веществото много лесно се разпада, тя ще бъде много малка. Веществата, като Fullerenes или Carbins, или графит, ще бъдат много меки и ние веднага ги отхвърлим. Останалите въглеродни структури са триизмерни, силни връзки във всичките три измерения, от тези структури ние избираме най-солидното и нека е възможно да се произвеждат дъщерни дружества. Как изглежда? Ние приемаме една структура, приемаме друга структура, като ги нарязваме на парчета, събираме ги заедно, както в дизайнера, и отново се отпуснете, това е, ние даваме възможност да оставим всички стреса. Има мутации - това е друг начин да се направи потомство от родителите. Ние приемаме една от най-солидните структури и я омагяваме, например, ние прилагаме огромен стрес смяна, така че някои връзки просто да се пръснат там, а други, нови, формирани. Или съществени атоми в най-слабите направления на структурата, така че тази слабост да бъде премахната от системата. Всички произведени структури, които се отпускаме, това е, ние премахваме вътрешните напрежения и след това отново оценяваме свойствата. Случва се, че взехме солидна структура, мутирахме и тя стана мека, обърна се, казват, в графит. Ние абсорбираме такава структура веднага. И от тези, които са солидни, отново произвеждат "деца". И така повторете стъпка по стъпка, поколение от поколение. И доста бързо стигаме до диамант.

- в същото време, моментите, когато се бунтуваме, сравняваме, свързваме и променяме структурата, изкуствен интелект, Прави ли програмата? Не е човек?

- Това прави програмата. Ако го направихме, ще бъдем в Кашченко, защото това е огромен брой операции, които не се нуждаят от човек, който да прави и по съвсем научни причини. Вие разбирате, човек се ражда, поглъща опит от околния свят и с този опит идва някакъв вид предразсъдъци. Виждаме симетрична структура - казваме: "Това е добро"; Виждаме асиметрични - да кажем: "Това е лошо." Но за природата понякога се случва и обратно. Нашият метод трябва да бъде свободен от субективност и предразсъдъци.

- Точно така, разбирам какво описвате това, по принцип тази задача е формулирана не толкова фундаментална наука като решаване на доста специфични задачи, определени от някаква редовна транснационална компания? Така че се нуждаем от нов цимент, така че да е по-вискозен, по-плътна или, напротив, е по-течна и така нататък.

- Въобще не. Всъщност дойдох от фундаментална наука в образованието си, проучен след цялата фундаментална наука, не се прилага. Сега се интересувам от решаване на приложни задачи, особено след като методологията, която съм изобретил, е приложима за най-важните приложни задачи на много широк спектър. Но първоначално този метод е изобретен за решаване на основни задачи.

- Какъв тип?

- Аз съм бил ангажиран по физика и химия под високо налягане за дълго време. Това е област, в която много интересни открития са експериментално. Но експериментите са сложни и много често експериментални резултати с времето се оказа, че са неправилни. Експерименти са скъпи, трудоемки.

- Дай пример.

- Например, за дълго време имаше състезание между съветски и американски учени: кой ще получи първия метален водород под налягане. След това се оказа, например, че много прости елементи под налягане стават (това е такава алхимична трансформация) чрез преходен метал. Например, приемате калий: калий върху валентната обвивка е само един s-електрон, така че под налягане става D-елемент; S-Orbital е празен, а ненужният D-орбита се урежда от този единствен електрон. И това е много важно, защото калият, превръщайки се в преходен метал, след това става възможност да влезе, например в течно желязо. Защо е важно? Защото сега вярваме, че калият в малки количества е част от ядрото на земята и има източник на топлина. Факт е, че един от калиевите изотопи (радиоактивен калий-40) е един от основните производители на топлина на земята днес. Ако калият не е включен в ядрото на земята, тогава трябва напълно да променим нашата идея за възрастта на живота на земята, за възрастта на магнитното поле, за историята на земното ядро \u200b\u200bи много други интересни неща. Ето алхимичните трансформации - S-елементи стават D-елементи. При високо налягане, когато стискате веществото, енергията, която прекарвате за компресия, рано или късно превишава енергията на химическата връзка и енергията на интербордонските преходи в атомите. И благодарение на това можете радикално да промените електронната структура на атома и вида на химическата връзка във вашето вещество. Може да се появят пълни нови видове вещества. А стандартната химическа интуиция в такива случаи не работи, т.е. правилата, които научаваме от училищната пейка в уроците по химия, те летят до Tartarara, когато налягането достигне доста големи количества. Мога да ви кажа какви неща са предсказани с използването на нашия метод и след това експериментално доказани. Когато се появи този метод, той стана за всички шокове. Един от най-интересните произведения се свързва с натриевия елемент. Предвиждахме, че ако задушаваме натрий до натиск от около 2 милиона атмосфери (между другото, налягането в центъра на Земята е почти 4 милиона атмосфери и можете да получите такъв натиск), няма да бъде повече метал, а Освен това, прозрачни и червени цветове. Когато направихме това предсказание, никой не вярваше. Списание за природата, в която изпратихме тези резултати, дори отказахме тази статия да разгледа, те казаха, че е невъзможно да се повярва. Свързах се с експериментатори от групата Михаил Йеремецз, която също ми каза, че е невъзможно да се повярва в него, но от уважение те все още ще се опитат да извършат такъв експеримент. И този експеримент напълно потвърди нашите прогнози. Предвижда се структурата на новата фаза на борвия елемент - твърдата структура за този елемент, една от най-солидните познати човечност на веществата. И там се оказа, че различните борни атоми имат различен електрически заряд, т.е. те изведнъж стават различни: някои положително, някои отрицателно заредени. Тази статия е цитирана почти 200 пъти за около три години.

- казахте, че това е основна задача. Или решавате първо от всички основни задачи и само наскоро - някои практически въпроси? История с натрий. За какво? Това означава, че седеше, седеше и си помислил, че ще взема - може би ще взема натрий, болен в 2 милиона атмосфера?

- Не са сигурно по този начин. Получих безвъзмездна помощ за изучаване на поведението на елементи с високо налягане, за да разбера по-добре химията на елементите. Експерименталните данни под високо налягане все още са много фрагментирани и ние решихме да спестим повече или по-малко цялата периодична таблица, за да разберем как се променят елементите и химията им под налягане. Ние публикувахме редица статии, по-специално, за естеството на свръхпроводимостта при кислород под налягане, тъй като кислородът под налягане става свръхпроводник. За редица други елементи: алкални елементи или алкални земни елементи и т.н. Но най-интересното, вероятно, беше откриването на нови явления в натрий и в отвора. Това може би имаше два елемента, които ни изненадаха най-много. Затова започнахме. И сега сме преминали към решения и практически задачи, ние си сътрудничим с такива компании като Intel, Samsung, Fujitsu, Toyota, Sony. Toyota, доколкото знам, с помощта на нашия метод наскоро изобретил нов материал за литиеви батерии и ще произвежда този материал на пазара.

- Те взеха вашия метод, взеха технологията за търсене на материали, но не и вие?

- Да разбира се. Ние не се налагаме в товара и се опитваме да помогнем на всички изследователи. Нашата програма е достъпна за всички, които искат да го използват. Компаниите трябва да плащат правото да използват програмата. И учените, работещи в академичната наука, получават го безплатно, просто изтегляне от нашия уебсайт. Нашата програма има почти 2 хиляди потребители по целия свят. И аз съм много доволен, когато виждам, че нашите потребители са добри за постигане. Имам, моята група има повече от достатъчно открития, неговите творби, прозренията му. Когато видим едно и също нещо в други групи, това е просто угодно.

Материалът се изготвя на базата на радиопредаването "постнокука" на радио руската новинарски услуги.