Кристаллы на кончике пера: наука невозможного
Химики и материаловеды обычно решали подобные задачи, синтезируя наудачу множество кристаллических структур и выбирая из них наиболее подходящие. Эта тактика порой дает отличные результаты, но требует великих усилий и долголетних трудов. Именно так в свое время действовал Эдисон, который как-то сказал: «Я не ошибся десять тысяч раз, я просто нашел десять тысяч путей, которые не работают». Это метод проб и ошибок в чистом виде. Ясно, что было бы куда лучше предсказывать перспективные атомные структуры с помощью компьютерных вычислений.
Кристаллы как форма жизни
Именно в этом направлении шесть лет работает Артем Оганов, профессор Университета Стоуни-Брук, вместе с аспирантами Колином Глассом и Чангом Джу и пост-доком Андреем Ляховым. «Мы решили воспользоваться алгоритмами, сходными с теми, которые применяются для обсчета эволюционных процессов, — объясняет Артем. — В общем виде идея выглядела так: берем несколько пробных кристаллических структур, образованных интересующими нас атомами, и оцениваем их свободную энергию на компьютере. Затем отбраковываем энергетически невыгодные структуры, которым законы термодинамики не оставляют надежды на выживание. А вот из комбинаций, обладающих максимальными шансами на существование, составляем первое поколение структур-родителей и с помощью наших алгоритмов на их основе конструируем следующее поколение. Важно, что новое поколение несет в себе и наследственные черты предков, и определенные мутации — по прямой аналогии с живыми организмами».
Это просто только на словах, ведь заранее не известно, как оставить наследственные черты и как ввести мутационные изменения. Группа Артема Оганова билась над этой задачей целый год и в результате придумала идею, которая привела к успеху. «Название нашей программы, — говорит Артем, — созвучно русскому слову "успех": USPEX, Universal Structure Predictor: Evolutionary Xtallography ("Универсальное предсказание структуры: эволюционная кристаллография"). В своем нынешнем виде она позволяет с очень хорошей точностью предсказывать термодинамически устойчивые структуры с требуемыми свойствами, содержащие до 40, а порой даже до 100−150 атомов».
Эволюционный алгоритм USPEX оказался чрезвычайно эффективным. Он заменяет механический перебор мириадов атомных комбинаций на обсчет тысяч, сотен, а иногда лишь десятков вариантов. Это вполне реально и при умеренном расходе компьютерного времени.
Подтверждено и очень полезно
Для чего это нужно? Появляется возможность получать вещества со строго определенными свойствами и осуществлять автоматический компьютерный дизайн таких материалов, на что еще недавно никто и не надеялся.
«Это прикладная наука, но мы можем помочь и науке фундаментальной, — говорит Артем Оганов. — Меня со студенческих времен интересует, как ведут себя вещества в экстремальных условиях — скажем, под действием сверхвысоких давлений. При таком сжатии связи между атомами изменяются настолько, что их уже нельзя понять с помощью классической химии. Например, кто бы мог подумать, что классический металл натрий под давлением в 2 млн атмосфер превратится в диэлектрик рубинового цвета, а при сжатии выше 3 млн атмосфер приобретет прозрачность чистого стекла? А мы с помощью нашего метода предсказали эту трансформацию, и эксперимент ее подтвердил! И причину теперь мы уже знаем — в результате сильного сжатия кристаллической решетки валентные электроны запираются в межатомных ловушках и теряют возможность свободно бегать по всему кристаллу. Мы предсказали также, что в недрах Земли имеются карбонаты магния и кальция, а также железоуглеродистые сплавы — и этот прогноз опять-таки был подтвержден в лабораторных экспериментах».