КРИСТАЛЛЫ НА КОНЧИКЕ ПЕРА: НАУКА НЕВОЗМОЖНОГО |
|
В физике есть немало задач, которые много лет признавали чрезвычайно важными, но совершенно нерешаемыми. К их числу относится и теоретическое предсказание атомной структуры, обеспечивающей кристаллу заданные свойства при определенных внешних условиях.
 |
Мириады атомных комбинаций
В принципе понятно, что для решения поставленной задачи должны существовать какие-то оптимальные комбинации атомов, но вопрос в том, как их вычислить. Общее число подобных комбинаций очень велико, примерно 10N (где N – число атомов в кристаллической ячейке или иной характерной структуре). Допустим, N=20, что не так уж и много, – но даже в этом случае перебирать варианты один за другим просто невозможно, ни один компьютер за разумное время с этим не справится
|
|
|
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.
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.
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».
Октябрь 2010
Автор: Алексей Левин
|
|
|
|
|
|
|
Кристаллохимия
Связь
между атомами в кристаллах обеспечивается взаимодействием внешних валентных
электронов. По характеру этой связи кристаллы принято делить на четыре основные
группы
В ионных
кристаллах (типичный представитель – NaCl) электроны переходят от атомов
металлов (катионов) к атомам неметаллов (анионов), обеспечивая
электростатическое притяжение. В ковалентных (алмаз, кремний) кристаллах
электроны обобществляются, образуя электронные облака между атомами. В
металлических кристаллах (металлы и интерметаллические соединения) валентные
электроны образуют общий электронный газ. В молекулярных кристаллах атомы
внутри молекул объединены ковалентными связями, а атомы в соседних молекулах
сцеплены более слабыми ван-дер-ваальсовыми силами или водородной связью. Во
многих случаях межатомные связи могут иметь промежуточный характер, поэтому
определить свойства кристаллов многих веществ, исходя из химического состава, –
задача в общем случае очень сложная.
|
|
Зарегистрируйтесь сейчас и получите 100 баллов себе на счет!
А разместив ссылку на этот материал Вы получите дополнительные баллы за каждый переход по ней.
Подробнее об условиях акции читайте в правилах.
|
|
| ЧИТАЙТЕ ПО ТЕМЕ |
СВЕТ ИЗДАЛЕКА
Разгорячившийся Нептун
Впервые астрономам удалось получить свет от далекой планеты из класса сверхземель и мыслен...
18/05/12  8
|
|
ТЕЛЕ-
-портация
Проведена квантовая телепортация на расстояние почти в 100 км.
17/05/12 31
|
|
РЕДКИЕ ГЕНЫ
Экзотика в хромосомах
Бешеные темпы, которыми растет население Земли, приводят к накоплению в геноме прежде редк...
17/05/12 55
|
|
НЕДОПЛАНЕТА
История одного астероида
Первый анализ состава гигантского астероида Веста показал, что это – останки недоразвитой ...
17/05/12 7
|
|
|
ReadMe
|
|
|
|
МАГАЗИН ПМ
4
