Новый алгоритм выбирает лучшие материалы из бесконечного множества
Вариантов бесконечно много, и для каждого возможно множество кристаллических структур; перебрать все их и найти наилучший (скажем, наиболее твердое вещество) невозможно ни в эксперименте, ни на компьютере. Вычислительный метод, разработанный профессором Сколтеха Артемом Огановым и его аспирантом Захедом Аллахьяри, решает эту проблему — основную задачу теоретического материаловедения. Свой метод исследователи представили в совершенно новом коде MendS (название нового метода — Менделеевский поиск, Mendelevian Search) и показали его применение на примере сверхтвердых и магнитных материалов. Работа поддержана грантом Российского научного фонда (РНФ). О своих исследованиях ученые рассказали на страницах NPJ Computational Materials.
«В 2006 году мы разработали алгоритм, который может предсказать кристаллическую структуру для определенного химического состава, затем мы существенно расширили его предсказательные возможности, научив его работать без заданного состава — в расширенном методе вы одним расчетом находите все стабильные соединения заданных элементов и соответствующие им кристаллические структуры, — рассказывает Артем Оганов, руководитель проекта по гранту РНФ, профессор Сколтеха и МФТИ, действительный член Королевского химического общества и Европейской академии (Academia Europaea). — В нашем новом методе решается гораздо более амбициозная задача. Здесь мы не задаем ни точного химического состава, ни даже конкретных химических элементов. Метод находит вещества с нужными свойствами, — скажем, с максимальной твердостью, — из всех возможных сочетаний всех элементов друг с другом, с учетом всех возможных кристаллических структур».
Авторы исследования обратили внимание на то, что можно построить абстрактное химическое пространство так, чтобы близкие в этом пространстве вещества обладали похожими свойствами. В этом случае все материалы с особыми свойствами (например, сверхтвердые) окажутся в одной области, и для нахождения наилучшего материала чрезвычайно эффективными будут эволюционные алгоритмы. Менделеевский поиск проводит двойную эволюцию — в каждой точке химического пространства проводится эволюционный поиск наилучшей кристаллической структуры, и одновременно среди этих химических составов идут конкуренция, естественный отбор наилучших, мутации и обмен информацией, эволюция.
Для проверки эффективности нового метода ученые дали компьютеру задание: вывести состав и структуру самого твердого материала. Максимально твердым оказался алмаз, что означает бесперспективность поисков материалов тверже него. Кроме того, расчет предсказал несколько десятков твердых и сверхтвердых фаз, включая как большую долю известных материалов, так и совершенно новые фазы.
Данный метод может найти материал с рекордными свойствами гораздо быстрее, что послужит основой технологического прорыва. Когда у людей есть такого рода материалы, они могут создать абсолютно новые технологии или сделать старые более эффективными и доступными.
Материал предоставлен пресс-службой Сколтеха