Биология-преподавател 

Компютърна конструкция на нови материали: мечта или реалност? Компютърна конструкция на нови материали Компютърни дизайн на нови материали.

  1. 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. 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. 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; Ето защо идва дори най-добрите хора толкова дълго и толкова дълго. "(I.v. goothe, аматьорска кристалография, 1749-1832) Лудвиг Болцман (1844-1906) - великият австрийски физик, който изгради 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. 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. 5. рентгенова дифракция - основният метод за експериментално определяне на структурата на кристалната структура на структурата на дифракцията
  6. 6. Съотношението на структурата и дифракционния модел Какво ще прави различни модели на тези "структури"?
  7. 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. 8. Състояние на материята кристален квазикристален аморфен течен газообразен ("мек материал" - полимери, течни кристали)
  9. 9. Атомна структура - най-много основна характеристика Вещества. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 18. Чудеса оптични свойства Плеохроизм (Cordieritis) - Откриване на Америка и навигация на САЩ Uivadevoprelenie (калцит) Александрит ефект (Chrysoberyill) купа Ликвинг (стъкло с наночастици)
  19. 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. 20. Цветът зависи от посоката (pleochroism). Пример: Cordiiisit (mg, fe) 2al4si5o18.
  21. 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. 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. 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. 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. 25.
  26. 26. Еволюционни изчисления "Самообучение" и фокусиране на търсенето на най-интересните области на пространството
  27. 27. Еволюционни изчисления "Самообучение" и фокус търсят по най-интересните области на пространството
  28. 28. Еволюционни изчисления "Самообучение" и фокус търсят по най-интересните области на пространството
  29. 29. Еволюционни изчисления "Самообучение" и фокусиране на търсенето на най-интересните области на пространството
  30. 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. 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. 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. 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)
  34. 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. 35. Откриване, направено с USPEX:
  36. 36. 3. Материали от компютър
  37. 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. 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. 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. 40.
  41. 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 CORUNDA (21 GPA).
  42. 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. 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. 44. М-въглерод - нова въглеродна форма на Almazgrafite Lonsdaleit теоретична фаза въглеродна диаграма M-въглеродни лагери
  45. 45. вещество под налягане в природата P.W. Bridgman 1946 Nobel Laureate (физика) 200x магазин: 100 gp \u003d 1 mbar \u003d
  46. 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. 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. 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. 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, йоган - тази фаза е една от най-твърдите известни вещества (50 GPA твърдост). 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. 50. Първата фазова диаграма на Бора - след 200 години изследвания! Осветлената графика на Бор (ARO et al., Nature 2009)
  51. 51. Натриев - метал, перфектно описан от модела на свободните електрони
  52. 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. 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
  54. 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!
  55. 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
  56. 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!
  57. 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)
  58. 67. Структурата на веществото е ключът към познаването на света. Структури. Определение
  59. 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

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 спрямо един с друг ще бъдат около 100 милиарда), тогава изчислението ще отнеме твърде много време. 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, много се провеждат много научна работа 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. Разпръснатата склероза е хронично автоимунно заболяване, което е една от тези патологии, когато собствената му имунна система вреди на собственика. В същото време миелиновата обвивка на нервните влакна е повредена, която обикновено извършва електрически изолационна функция. Много е важно за нормалното функциониране на невроните: ток върху растежа нервни клеткиМелинич, покрит с 5-10 пъти по-бързо от 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 беше използван, но ученият успя да промени химичен състав, подобряване на 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 добра медицина.

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, завършил студент MFTI, материал за компютърна лаборатория и един от авторите на откриването нова структура Въглерод. В свободното си време, Олег се занимава с популяризиране на науката: неговите статии могат да бъдат намерени в публикациите "Cat Schredinger", "за наука", 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 своето откритие през 2014 г., разширявайки познанията си за свойствата и поведението на 14-та група химически елементи Като цяло (фиг. 8). Отбелязва се, че в отворената въглеродна форма ковалентни връзки Има образувани 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. Защото тези необичайни химически вещества Може да се покаже като много важни материали от планетата. 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 съществува високо налягане реалния свят. 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. Gabiel Saleh и Artem Oganov продължиха pioneer Work.което показва екзотичното поведение на натриевите хлориди под високо налягане и разработи теоретичен модел, който може да се използва за предсказване на свойствата на съединенията от 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, наблюдаван. 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 натиск те са изместени в празнотата кристална решеткаобразувани 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 добро 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 научна 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 са различни опции, различни от диаманта, и от графит, може да има 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 въглен: каква е твърдата структура, която съответства на този 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 отхвърлим, сравняваме, свързваме и променяме структурата, прави изкуствения 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 основата на Земята, тогава трябва напълно да променим идеята си за възрастта на живота на земята, възрастта магнитно поле, за историята на ядрото на земята и много други интересни неща. Ето алхимичните трансформации - S-елементи стават D-елементи. При високо налягане, когато стиснете веществото, енергията, която харчите за компресия, рано или късно надвишава енергията химическа връзка. и енергия на междуборбиталните 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.

    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. Смесете различни вещества при различни температури и налягания. 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 харчат голямо количество усилие, 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, с който състав и температура ще има желаните свойства при 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. Проверяваме го стъпка по стъпка, започвайки с малка случайна извадка, вътре, която класираме 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 високи температури Остър 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