Оригинал материала
Компьютерный дизайн новых материалов: мечта или реальность?
Артем Оганов. Фото Наталии Деминой Мы публикуем текст лекции, прочитанной профессором Университета штата Нью-Йорк, адъюнкт-профессор МГУ, почетным профессором Гуйлиньского университета Артемом Огановым 8 сентября 2012 года в рамках цикла «Публичных лекций «Полит.ру» на книжном фестивале под открытым небом BookMarket в парке искусств "Музеон".
«Публичные лекции "Полит.ру"» проводятся при поддержке:
Текст лекции
Я очень благодарен организаторам этого фестиваля и «Полит.ру» за приглашение. Для меня большая честь читать эту лекцию; надеюсь, она будет вам интересна.
Лекция имеет прямое отношение к нашему будущему, потому что будущее наше невозможно без новых технологий, технологий, касающихся нашего качества жизни, вот iPad, вот наш проектор, вся наша электроника, энергосберегающие технологии, технологии, которые применяются для очистки окружающей среды, технологии, которые применяются в медицине и так далее, – всё это зависит в огромной степени от новых материалов, новые технологии требуют новых материалов, материалов с уникальными, особенными свойствами. И о том, как можно эти новые материалы разрабатывать не в лаборатории, а на компьютере, пойдёт рассказ.
Лекция называется: «Компьютерный дизайн новых материалов: мечта или реальность?». Если бы это было совсем мечтой, то лекция не имела бы смысла. Мечты – это что-то, как правило, не из области реальности. С другой стороны, если б это было уже полностью реализовано, лекция бы тоже не имела смысла, потому что нового рода методологии, в том числе теоретические вычислительные, когда они уже полностью разработаны, переходят из разряда науки в разряд промышленных рутинных задач. На самом деле эта область совершенно новая: компьютерный дизайн новых материалов находится где-то посерединке между мечтой - тем, что невозможно, тем, о чём мы мечтаем на досуге, - и реальностью, это ещё не до конца завершённая область, это область, которая разрабатывается прямо сейчас. И эта область позволит в ближайшем же будущем отступить от традиционного метода открытия новых материалов, лабораторного, и приступить к компьютерному дизайну материалов, это было бы и дешевле, и быстрее, во многом даже и надёжнее. А вот как это делать, я и расскажу. Это имеет прямое отношение к проблеме предсказания, прогноза структуры вещества, потому что структура вещества определяет его свойства. Разная структура одного и того же вещества, скажем, углерода, определяет сверхтвёрдый алмаз и сверхмягкий графит. Структура в данном случае - это всё. Структура вещества.
Вообще, мы в этом году празднуем столетний юбилей первых опытов, которые позволили открыть структуру вещества. Очень давно, ещё с античных времён, люди выдвигали гипотезы, что вещество состоит из атомов. Упоминание об этом можно найти, например, в Библии, в различных индийских эпосах, и достаточно подробно разработанные упоминания об этом можно увидеть у Демокрита и у Лукреция Кара. И первые упоминание, как устроено вещество, как это вещество состоит из этих дискретных частиц, атомов, принадлежат Иоганну Кеплеру, великому математику, астроному и даже астрологу - в то время астрология считалась ещё наукой, к сожалению. Кеплер нарисовал первые картинки, в которых объяснял шестиугольную форму снежинок, и структура льда, предложенная Кеплером, хоть и отличается от действительности, во многих аспектах ей подобна. Но, тем не менее, гипотеза об атомарном строении вещества оставалась гипотезой вплоть до 20 века, пока сто лет назад впервые эта гипотеза не стала научно доказанной. Стала она доказанной при помощи моей науки, кристаллографии, науки относительно новой, которая родилась в середине 17 века, 1669 год – это официальная дата рождения науки кристаллографии, и создал ее замечательный датский учёный Николай Стенон. Вообще-то его звали Нильс Стенсен, он был датчанин, латинизированное имя – Николай Стенон. Он основал не только кристаллографию, но целый ряд научных дисциплин, и он сформулировал первый закон кристаллографии. С этого времени кристаллография по убыстряющейся траектории начала своё развитие.
Николай Стенон имел уникальную биографию. Он стал не только основателем нескольких наук, но также был причислен к лику святых католической церкви. Кристаллографом также был величайший немецкий поэт Гёте. И Гёте принадлежит цитата, что кристаллография – непродуктивна, существует внутри самой себя, и вообще наука эта совершенно бесполезная, и непонятно, зачем она нужна, но как паззл она очень интересная, и за счёт этого привлекает к себе очень умных людей. Так говорил Гёте в научно-популярной лекции, которую он прочитал где-то на Баденских курортах, богатым бездельничающим дамам. Кстати, есть минерал, названный в честь Гёте, гётит. Надо сказать, что в то время кристаллография действительно было достаточно бесполезной наукой, действительно на уровне каких-то математических шарад и паззлов. Но время прошло, и 100 лет назад кристаллография вышла из категории таких наук в себе и стала наукой исключительно полезной. Этому предшествовала большая трагедия.
Повторюсь, атомарное строение вещества оставалось гипотезой вплоть до 1912 года. Великий австрийский физик Людвиг Больцман построил все свои научные доводы на этой гипотезе об атомарности вещества и был сурово критикован многими своими оппонентами: «как же вы можете строить все свои теории на недоказанной гипотезе?» Людвиг Больцман под влиянием этой критики, а также слабого здоровья, покончил собой в 1906 году. Он повесился, находясь в отпуске с семьёй в Италии. Всего лишь 6 лет спустя атомарное строение вещества было доказано. Так что если б он был чуть-чуть более терпеливым, он бы восторжествовал над всеми своими оппонентами. Терпение иногда значит больше, чем разум, терпение значит больше, чем даже гениальность. Так вот - что же это были за эксперименты? Эти эксперименты были сделаны Максом фон Лауэ, точнее, его аспирантами. Макс фон Лауэ сам не делал никаких таких экспериментов, но идея принадлежала ему. Идея была о том, что если вещество действительно состоит из атомов, если действительно, как Кеплер предполагал, атомы построены в кристалле периодическим регулярным способом, то должно наблюдаться занятное явление. Незадолго до того были открыты рентгеновские лучи. Физики к тому времени уже хорошо поняли, что если длина волны излучения сопоставима с длиной периодичности - характеристической длиной объекта, в данном случае - кристалла, то должно наблюдаться явление дифракции. То есть лучи будут путешествовать не только строго по прямой, но и отклоняться на совершенно строго определённые углы. Таким образом, от кристалла должна наблюдаться какая-то совершенно особая картинка дифракции рентгеновских лучей. Было известно, что длина волна рентгеновского излучения должна быть подобной размерам атомов, если атомы существуют, были сделаны необходимы оценки размера атомов. Таким образом, если атомарная гипотеза строения вещества правильная, то должна наблюдаться дифракция рентгеновских лучей кристаллов. Что может быть проще, как проверить?
Простая идея, простой эксперимент, за который чуть больше, чем через год, Лауэ получил Нобелевскую премию по физике. И мы можем попробовать провести этот эксперимент. Но, к сожалению, сейчас слишком светло, чтобы этот эксперимент могли все наблюдать. Но, может быть, мы попробуем это с одним свидетелем? Кто мог бы подойти сюда и попробовать понаблюдать этот эксперимент?
Смотрите. Вот лазерная указка, мы ей светим - и что тут происходит? У нас не рентгеновские лучи, а оптический лазер. А это не структура кристалла, а её образ, раздутый в 10 тысяч раз: но ведь и длина волны лазера в 10 тысяч раз превышает длину волны рентгеновского излучения, и таким образом условие дифракции снова выполнено – сопоставимость длины волны с периодом кристаллической решетки. Вот посмотрим на объект, в котором нет регулярной структуры, жидкость. Вот, Олег, держи эту картинку, и я буду светить лазером, подойди поближе, картинка будет маленькая, поскольку мы не можем проецировать… смотри, ты видишь тут колечко, внутри - точка, которая характеризует прямое прохождение луча. А вот колечко – это дифракция от неорганизованной структуры жидкости. Если же перед нами кристалл, то картинка будет совершенно другой. Вот ты видишь, у нас много лучей, которые отклоняются на строго определённые углы.
Олег (доброволец): Наверное, потому что больше атомов…
Артём Оганов: Нет, за счёт того, что атомы расположены строго определённым образом, мы можем наблюдать такую картинку дифракции. Эта картинка очень симметрична, и это важно. Давайте поаплодируем Олегу за блестяще проведённый эксперимент, который 100 лет назад принёс бы ему Нобелевскую премию.
Далее - следующим годом отец и сын Брэгги научились расшифровывать дифракционные картинки, определять из них кристаллические структуры. Первые структуры были очень простыми, но сейчас благодаря новейшим методологиям, за которые Нобелевская премия была присуждена в 1985 году, можно расшифровывать уже очень-очень сложные структуры, исходя из эксперимента. Вот тот эксперимент, который мы с Олегом воспроизвели. Вот исходная структура, тут молекулы бензола, и вот такую дифракционную картинку Олег наблюдал. Сейчас уже с помощью эксперимента можно расшифровывать очень сложные структуры, в частности структуры квазикристаллов, а за открытие квазикристаллов, этого нового состояния твёрдого вещества, в прошлом году была дана Нобелевская премия по химии. Насколько динамична эта область, какие фундаментальные открытия совершаются на нашем веку! Структура белков и прочих биологически-активных молекул также расшифровывается при помощи дифракции рентгеновского изучения, этого великого кристаллографического метода.
Итак, мы знаем различные состояния вещества: упорядоченные кристаллическое и квазикристаллическое, аморфное (неупорядоченное твёрдое состояние), а также жидкое, газообразное состояние и различные полимерные состояния вещества. Зная структуру вещества, вы можете предсказать многие и многие его свойства, причём с большой степенью надёжности. Вот структура силиката магния, типа перовскита. Зная приблизительные позиции атомов, вы можете предсказать, например, такое достаточно трудное свойство, как упругие постоянные - это свойство описывается тензором 4 ранга с множеством компонент, и это сложное свойство вы можете предсказать с экспериментальной точностью, зная лишь положение атомов. А вещество это достаточно важное, оно составляет 40% объёма нашей планеты. Это самый распространённый материал на Земле. И вот понять свойства этого вещества, которое существует на больших глубинах, можно, зная лишь расположение атомов.
Я хотел бы немножко рассказать о том, как связаны свойства со структурой, как предсказывать структуру вещества для того, чтобы можно было прогнозировать новые материалы, и что было сделано с помощью такого рода методов. Почему лёд легче воды? Мы все знаем, что айсберги плавают и не тонут, мы знаем, что лёд всегда на поверхности реки, а не на дне. В чём дело? Дело в структуре: если вы посмотрите на эту структуру льда, то вы увидите в ней большие шестиугольные пустоты, и когда лёд начинает плавиться, молекулы воды забивают эти шестиугольные пустоты, за счёт этого плотность воды становится больше, чем плотность льда. И мы можем продемонстрировать, как этот процесс происходит. Я вам покажу коротенький фильм, смотрите внимательно. Плавление будет начинаться с поверхностей, так оно в самом деле происходит, но это компьютерный расчёт. И вы увидите, как плавление распространяется внутрь… молекулы двигаются, и вы видите, как забиваются эти шестиугольные каналы, и теряется правильность структуры.
Лёд имеет несколько разных форм, и очень интересна форма льда, которая получается, если забить пустоты структуры льда гостевыми молекулами. Но сама структура при этом тоже изменится. Я говорю о так называемых газовых гидратах или клатратах. Вы видите каркас из молекул воды, в котором присутствуют пустоты, в которых присутствуют гостевые молекулы или атомы. Гостевыми молекулами могут быть метан - природный газ, может быть углекислый газ, может быть, например, атом ксенона, и у каждого из этих газовых гидратов интересная история. Дело в том, что запасы гидрата метана содержат на 2 порядка больше природного газа, чем традиционные месторождения газа. Месторождения такого типа расположены, как правило, на морском шельфе и в зонах вечной мерзлоты. Проблема в том, что люди до сих пор не научились безопасно и рентабельно извлекать из них газ. Если эта проблема будет решена, то человечество сможет забыть об энергетическом кризисе, у нас будет практически неисчерпаемый источник энергии на ближайшие века. Очень интересен гидрат углекислого газа - он может быть использован как безопасный способ захоронения избытков углекислоты. Вы закачиваете углекислоту под небольшим давлением в лёд и сбрасываете его на морское дно. Этот лёд там совершенно спокойно существует ещё многие тысячи лет. Гидрат ксенона послужил объяснением ксеноновой анестезии, гипотеза, которая 60 лет назад была выдвинута великим кристаллохимиком Лайнусом Полингом: дело в том, что если человеку дать подышать ксеноном под небольшим давлением, человек перестаёт чувствовать боль. Это использовалось и, кажется, сейчас иногда используется для анестезии при хирургических операциях. Почему?
Ксенон под небольшим давлением образует соединения с молекулами воды, образуя те самые газовые гидраты, которые закупоривают распространение электрического сигнала по нервной системе человека. И болевой сигнал из оперируемой ткани просто не достигает мышц, благодаря тому, что образуется именно вот с такой структурой, гидрат ксенона. Это была самая первая гипотеза, возможно, истина немножко сложнее, но несомненно, что истина рядом. Когда мы говорим о таких вот пористых веществах, то нельзя не вспомнить микропористые силикаты, так называемые цеолиты, которые очень широко используются в промышленности для катализа, а также для разделения молекул при крекинге нефти. Например, молекулы октана и мезооктана прекрасно разделяются цеолитами: это одна и та же химическая формула, но структура молекул немножко разная: одна из них длинная и худая, вторая – короткая и толстая. И та, которая худая, проходит сквозь пустоты структуры, а та, которая толстая, отсеивается, и поэтому такие структуры, такие вещества называются молекулярными ситами. Эти молекулярные сита используются для очистки воды, в частности, та вода, которую мы пьём, в наших кранах, она должна проходить через многократные фильтрования, в том числе с помощью цеолитов. Можно таким образом избавляться от загрязнения с самыми разными химическими загрязнителями. Химические загрязнители иногда бывают крайне опасны. История знает примеры того, как отравление тяжёлыми металлами приводило к очень печальным историческим примерам.
Судя по всему, жертвами ртутного отравления были первые первый император Китая - Цинь Шихуанди, и Иван Грозный, и очень хорошо изучена так называемая болезнь сумасшедшего шляпника, в 18-19 веках в Англии целый класс людей, работающих в шляпной промышленности, очень рано заболевали странным неврологическим заболеванием, которое называется болезнью сумасшедшего шляпника. Их речь становилась бессвязной, их действия - бессмысленными, конечности их неконтролируемо дрожали, и они впадали в слабоумие и безумие. Их тело постоянно соприкасалось с ртутью, поскольку они вымачивали эти шляпы в растворах солей ртути, которая попадала в их тело и поражала нервную систему. Иван Грозный был очень прогрессивным, хорошим царём в возрасте до 30 лет, после этого он в одночасье изменился - и стал безумным тираном. Когда его тело было эксгумировано, оказалось, что у него были резко деформированы кости, и содержали они огромную концентрацию ртути. Дело в том, что царь страдал от тяжёлой формы артрита, а в то время артрит лечили втиранием ртутных мазей – это был единственное средство, и, возможно, как раз ртуть объясняет странное безумие Ивана Грозного. Цинь Шихуанди, человек, который создал Китай в его нынешнем виде, правил 36 лет, причём первые 12 лет он был марионеткой в руках своей матери, регентши, история его похожа на историю Гамлета. Мать с любовником убили его отца, а потом пытались избавиться и от него самого, история страшная. Но, повзрослев, он начал править сам - и за 12 лет он прекратил междоусобную войну между 7 царствами Китая, которая длилась 400 лет, объединил Китай, он объединил меры веса, деньги, унифицировал китайскую письменность, он построил Великую китайскую стену, он построил 6,5 тыс. километров шоссейных дорог, которые до сих пор используются, каналы, которые до сих пор используются, и это всё сделал один человек, но в последние годы он страдал какой-то странной формой маниакального безумия. Его алхимики с целью сделать его бессмертным давали ему ртутные пилюли, они считали, что это сделает его бессмертным, в результате этот человек, судя по всему, отличавшийся недюжинным здоровьем, умер, не дожив и до 50 лет, и последние годы этой короткой жизни были омрачены безумием. Свинцовое отравление, возможно, сделало своими жертвами многих римских императоров: в Риме был свинцовый водопровод, акведук, и известно, что при свинцовом отравлении определённые отделы мозга сокращаются, можно это даже на томографических картинках видеть, интеллект падает, IQ падает, человек становится очень агрессивным. Свинцовое отравление – и по сей день большая беда многих городов и стран. Чтобы избавиться от такого рода нежелательных последствий, нам нужно разрабатывать новые материалы для очистки окружающей среды.
Интересные материалы, не до конца объяснённые, - это сверхпроводники. Сверхпроводимость также была открыта 100 лет назад. Это явление во многом экзотическое, открыто оно было случайным способом. Просто охладили ртуть в жидком гелии, измерили электросопротивление, оказалось, что оно падает ровно до нуля, а позже оказалось, что сверхпроводники полностью выталкивают магнитное поле и способны левитировать в магнитном поле. Эти две характеристики сверхпроводников используются достаточно широко в высокотехнологичных приложениях. Тот тип сверхпроводимости, который был открыт 100 лет назад, был объяснён, на объяснение потребовалось полвека, это объяснение принесло Нобелевскую премию Джону Бардину и его коллегам. Но затем в 80-х годах, уже на нашем веку, был открыт новый тип сверхпроводимости, и самые лучшие сверхпроводники принадлежат именно к этому классу – высокотемпературные сверхпроводники на основе меди. Интересная особенность состоит в том, что такая сверхпроводимость до сих пор не имеет объяснений. Применений у сверхпроводников очень много. Например, с помощью сверхпроводников создают самые мощные магнитные поля, и это используется в магнитно-резонансной томографии. Левитирующие поезда на магнитном подвисании – другое применение, и вот фотография, которую я лично сделал в Шанхае на таком поезде – виден указатель скорости в 431 километр в час. Сверхпроводники бывают иногда очень экзотичными: уже 30 с небольшим лет известны органические сверхпроводники, то есть сверхпроводники на основе углерода, оказывается, сверхпроводником можно сделать даже алмаз, введя в него небольшое количество атомов бора. Графит также можно сделать сверхпроводником.
Вот интересная тоже историческая параллель про то, как свойства материалов или их незнание может иметь роковые последствия. Две истории, которые очень красивы, но, судя по всему, исторически неправильны, но я всё же их расскажу, потому что красивая история иногда лучше, чем правдивая история. В научно-популярной литературе очень часто на самом деле можно встречать упоминания о том, как эффект оловянной чумы – а вот и ее образец - погубил экспедиции Наполеона в России и капитана Скотта к Южному полюсу. Дело в том, что олово при температуре 13 градусов Цельсия претерпевает переход из металла (это белое олово) в серое олово, полупроводник, при этом резко падает плотность - и олово разваливается. Это называется «оловянная чума» - олово просто в труху рассыпается. А вот и история, которой я не встречал полноценных объяснений. Наполеон приходит в Россию с 620 тысячной армией, даёт всего несколько относительно небольших сражений - и доходит до Бородина уже всего 150 тысяч человек. Приходит 620, до Бородина почти без боя доходит 150 тысяч. При Бородине ещё около 40 тысяч жертв, потом отступление из Москвы - и до Парижа живыми доходят 5 тысяч. Кстати, и отступление тоже было почти без боя. Что вообще происходит? Как с 620 тысяч без боя скатиться до 5 тысяч? Есть историки, которые утверждают, что виновата во всём оловянная чума: пуговицы на мундирах солдат были сделаны из олова, олово рассыпалось, как только наступили холода, - и солдаты оказались фактически голыми на русском морозе. Проблема в том, что пуговицы делали из грязного олова, которое устойчиво к оловянной чуме.
Очень часто можно видеть в научно-популярной прессе упоминание о том, что капитан Скотт по разным версиям либо вёз с собой аэропланы, в которых топливные баки имели оловянные припои, либо консервы в оловянных банках - олово опять-таки рассыпалось, и экспедиция погибла от голода и холода. Я вообще-то читал дневники капитана Скотта – ни о каких аэропланах он не упомянул, у него были какие-то аэросани, но опять-таки про топливный бак он не пишет, и про консервы он тоже не пишет. Так что эти гипотезы, судя по всему, неверны, но очень интересны и поучительны. И помнить про эффект оловянной чумы во всяком случае полезно, если вы собираетесь в холодный климат.
Вот другой опыт, и тут мне понадобится кипяток. Другой эффект, связанный с материалами и их структурой, который не пришёл бы в голову ни одному человеку, - эффект памяти форм, также открытый совершенно случайно. На этой иллюстрации вы видите, что мои коллеги сделали из этого провода две буквы: Т У, Технический Университет, они закалили эту форму при высоких температурах. Если закалить какую-то форму при высокой температуре, материал будет помнить эту форму. Можно сделать сердечко, например, подарить возлюбленной и сказать: это сердечко будет помнить мои чувства вечно… потом эту форму можно разрушить, но как только вы опускаете его в горячую воду, форма восстанавливается, это выглядит как волшебство. Вы только что сломали эту форму, но кладёте в горячую воду – форма восстанавливается. И всё это происходит благодаря очень интересному и достаточно тонкому структурному превращению, которое происходит в этом материале при температуре 60 градусов Цельсия, именно поэтому нужна в нашем опыте горячая вода. И такое же превращение происходит и в стали, но в стали он происходит слишком медленно - и памяти эффекта формы не возникает. Представляете себе, если б сталь тоже такой эффект показывала, мы бы жили в совершенно другом мире. Эффект памяти формы находит очень много применений: зубные скобки, сердечные шунты, части двигателя в самолётах для снижения шума, спайки в газопроводах и нефтепроводах. А сейчас мне понадобится ещё один доброволец... пожалуйста, как тебя зовут? Вика? Нам понадобится помощь Вики с этим проводом, это провод с памятью формы. Тот самый сплав нитинол, сплав никеля и титана. Этот провод был закалён в форме прямого провода, и он эту форму будет помнить вечно. Вика, возьми кусочек этого провода и его всячески искорёжь, сделай так, чтобы он был как можно более непрямым, только узлы не завязывай: узел не распутается. И теперь окунай его в кипяток, и провод вспомнит эту форму... ну как, распрямился? Этот эффект можно наблюдать вечно, я, наверное, тысячу раз видел его, но каждый раз, как ребёнок, смотрю и восхищаюсь, какой красивый эффект. Давайте поаплодируем Вике. Было бы здорово, если бы мы научились такие материалы предсказывать и на компьютере.
А вот и оптические свойства материалов, которые тоже совершенно бывают нетривиальными. Оказывается, многие материалы, почти что все кристаллы, расщепляют луч света на два луча, которые путешествуют в разных направлениях и с разной скоростью. В результате, если вы смотрите через кристалл на какую-то надпись, то надпись всегда будет чуть-чуть двоиться. Но, как правило, неразличимо для нашего глаза. В некоторых же кристаллах этот эффект настолько силён, что вы действительно можете видеть две надписи.
Вопрос из зала: Вы сказали - с разной скоростью?
Артем Оганов: Да, скорость света постоянна только в вакууме. В конденсируемых средах она ниже. Далее, мы привыкли думать, что у каждого материала есть определённый цвет. Рубин - красный, сапфир - синий, но, оказывается, цвет также может зависеть от направления. Вообще одна из главных характеристик кристалла – это анизотропия – зависимость свойств от направления. Свойства в этом направлении и в этом направлении различаются. Вот минерал кордиерит, у которого в разных направлениях цвет меняется от коричневато-жёлтого до синего, это один и тот же кристалл. Мне кто-нибудь не верит? Я принёс специально кристалл кордиерита, чтобы, пожалуйста… вот смотри, какой цвет?
Вопрос из зала: Кажется, белый, а вот так вот…
Артем Оганов: От какого-то светлого, типа белого, до фиолетового, вы просто вращаете кристалл. На самом деле есть исландская легенда о том, как викинги открыли Америку. И многие историки видят в этой легенде указание на использование этого эффекта. Когда викинги потерялись посреди Атлантического океана, их конунг вынул некий солнечный камень, и в сумеречном свете сумел определить направление на Запад, и так они доплыли до Америки. Что такое солнечный камень, никто не знает, но многие историки считают, что солнечный камень – это то, что Вика держит в руках, кордиерит, кстати, кордиерит встречается у берегов Норвегии, и с помощью этого кристалла действительно можно ориентироваться в сумеречном свете, в вечернем свете, а также в полярных широтах. И этот эффект использовался ВВС США вплоть до 50-х годов, когда на смену ему пришли более совершенные способы. А вот еще один интересный эффект – александритовый, если у кого есть желание, я принёс кристалл синтетического александрита, и его цвет меняется в зависимости от источника света: при дневном и электрическом. И, наконец, ещё один интересный эффект, который много веков не могли понять учёные и искусствоведы. Чаша Ликурга – это объект, который был сделан римскими ремесленниками более 2 тысяч лет назад. В рассеянном свете эта чаша имеет зелёный цвет, а в проходящем – красный. И удалось этопонять буквально несколько лет назад. Оказалось, что чаша сделана не из чистого стекла, а содержит наночастицы золота, которые и создают этот эффект. Сейчас мы понимаем природу цвета - цвет связан с определёнными диапазонами поглощения, с электронной структурой вещества, и это, в свою очередь, связано и с атомной структурой вещества.
Вопрос из зала: Понятия «отражённый» и «проходящий» можно пояснить?
Артем Оганов: Можно! Кстати, отмечу, что эти самые спектры поглощения и определяют, почему у кордиерита разный цвет в разных направлениях. Дело в том, что сама структура кристалла - в частности, кордиерита - выглядит по-разному в разных направлениях, и свет в этих направлениях поглощается по-разному.
Что такое белый свет? Это весь спектр от красного до фиолетового, и когда свет проходит сквозь кристалл, часть этого диапазона поглощается. Например, кристалл может поглотить синий цвет, и что будет в результате, можете видеть из этой таблицы. Если вы поглощаете синие лучи, то на выходе у вас будет оранжевый цвет, то есть когда вы видите что-то оранжевое, вы знаете, что это вещество поглощает в синем диапазоне. Рассеянный свет – это когда у вас лежит та же самая чаша Ликурга на столе, падает свет, и часть этого света рассеивается и попадает вам в глаза. Рассеяние света подчиняется совершенно другим законам и, в частности, зависит от зернистости объекта. Благодаря рассеиванию света небо голубое. Есть закон Рэлеевского рассеяния, с помощью которого можно объяснить эти цвета.
Я вам продемонстрировал, как свойства связаны со структурой. А как можно предсказывать кристаллическую структуру, мы рассмотрим вкратце сейчас. Значит, задача предсказания кристаллических структур до самого недавнего времени считалась нерешаемой. Сама эта задача формулируется следующим образом: как найти расположение атомов, которое дает максимальную устойчивость – то есть наименьшую энергию? Как это сделать? Можно, конечно, перебрать все варианты расположения атомов в пространстве, но оказывается, что таких вариантов настолько много, что перебрать их вам не хватит жизни, на самом деле даже для достаточно простых систем, скажем, с 20 атомами, вам потребуется больше, чем время жизни Вселенной, чтобы перебрать все эти возможные комбинации на компьютере. Поэтому считалось, что эта задача нерешаемая. Тем не менее, эту задачу решить удалось, причём несколькими методами, и самый эффективный метод, хоть, может, это нескромно звучит, был разработан моей группой. Метод называется «Успех», «USPEX», эволюционный метод, эволюционный алгоритм, суть которого я постараюсь вам сейчас объяснить. Задача эквивалентна нахождению глобального максимума на какой-то многомерной поверхности – для простоты рассмотрим двумерную поверхность, поверхность Земли, где нужно найти самую высокую гору, не имея карт. Давайте сформулируем это так, как сформулировал это мой австралийский коллега Ричард Клегг - он австралиец, он любит кенгуру, и в его формулировке с помощью кенгуру, достаточно неинтеллектуальных животных, нужно определить самую высокую точку на поверхности Земли. Кенгуру понимает только простые инструкции – иди вверх, иди вниз. В эволюционном алгоритме мы скидываем десант кенгуру, случайно, в разные точки планеты и даём каждому из них инструкцию: иди вверх, до вершины ближайшего холма. И они идут. Когда эти кенгуру доходят до Воробьёвых гор, например, а когда доходят может быть до Эльбруса, и те из них, кто не добрались высоко, отсеиваются, отстреливаются. Приходит охотник, чуть не сказал, художник, приходит охотник и отстреливает, а те, которые выжили, получают право размножаться. И благодаря этому удаётся из всего пространства поиска выделить наиболее перспективные области. И шаг за шагом, отстреливая всё более и более высоких кенгуру, вы сдвинете популяцию кенгуру к глобальному максимуму. Кенгуру будут производить всё более успешное потомство, охотники будут отстреливать всё более высоко забирающихся кенгуру, и таким образом можно эту популяцию просто загнать на Эверест.
И вот в этом состоит суть эволюционных методов. Для простоты я опускаю технические детали, как это именно было реализовано. А вот и еще одна двумерная реализация этого метода, тут поверхность энергий, нам нужно найти самую синюю точку, вот наши изначальные, случайные, структуры - вот эти жирные точки. Расчет сразу же понимает, какие из них плохие, вот - в красных и жёлтых областях, какие из них самые многообещающие: в синих, зеленоватых областях. И шаг за шагом плотность опробования самых перспективных областей растёт до тех пор, пока мы не находим наиболее приспособленную, наиболее устойчивую структуру. Есть разные методы для предсказания структур - методы случайного поиска, искусственного отжига и так далее, но наиболее мощный метод оказался этот, эволюционный.
Самое сложное – это как производить из родителей потомков на компьютере. Как взять две родительские структуры и из них сделать ребёнка? На самом деле, на компьютере можно делать детей не только из двух родителей, мы экспериментировали, мы из трёх, и из четырёх пробовали делать. Но, как выясняется, это ни к чему хорошему не приводит, так же, как и в жизни. У ребёнка лучше, если два родителя. Один родитель тоже, кстати, работает, два родителя - оптимально, а три или четыре – это уже не работает. У эволюционного метода есть несколько интересных особенностей, которые, кстати, роднят это с биологической эволюцией. Мы видим, как из неприспособленных, случайных структур, с которых мы начинаем расчёт, в ходе расчёта появляются высокоорганизованные, высокоупорядоченные решения. Мы видим, что расчёты наиболее эффективны тогда, когда популяция структур наиболее разнообразная. Самые стабильные и самые выживающие популяции - это популяции разнообразия. Вот, например, чем мне нравится Россия, так это тем, что в России – 150 с лишним народов. Есть светловолосые, есть темноволосые, есть всякие лица кавказской национальности вроде меня, и все это придаёт российской популяции стабильность и будущность. Однообразные популяции будущего не имеют. Это видно из эфолюционных расчетов предельно ясно.
Можем ли мы предсказать, что устойчивой формой углерода при атмосферных давлениях является графит? Да. Этот расчёт очень быстр. Но помимо графита мы производим несколько интересных чуть менее устойчивых решений в том же расчёте. И эти решения тоже могут быть интересны. Если мы повышаем давление – графит уже неустойчив. А устойчив алмаз, и мы это тоже очень легко находим. Смотрите, как из неупорядоченных начальных структур расчёт быстро производит алмаз. Но перед тем, как алмаз найден, производится целый ряд интереснейших структур. Например, вот эта структура. В то время, как у у алмаза присутствуют шестиугольные кольца, здесь видны 5 и 7-угольные кольца. Эта структура лишь ненамного уступает по стабильности алмазу, и мы поначалу думали, что это курьёз, а потом оказалось, что это новая, реально существующая форма углерода, которая была установлена совсем недавно нами и нашими коллегами. Этот расчёт был сделан при 1 миллионе атмосфер. Если мы давление повысим до 20 миллионов атмосфер, алмаз перестанет быть устойчив. И вместо алмаза будет устойчива очень странная структура, о стабильности которой для углерода при таких давлениях догадывались уже много десятилетий, и наш расчет это подтверждает.
Много что было сделано и нами, и нашими коллегами с помощью вот этого метода, перед вами небольшая подборка разных открытий. Позвольте мне лишь о некоторых из них рассказать.
С помощью этого метода можно заменить лабораторное открытие материалов на компьютерное. В лабораторном открытии материалов непревзойдённый чемпионом был Эдисон, говоривший: «я не потерпел 10 тысяч неудач, я лишь нашел 10 тысяч способов, которые не работают». Это вам говорит о том, сколько надо попыток, неудачных попыток совершить прежде, чем совершить реальное открытие этим методом, а с помощью компьютерного дизайна можно добиваться успеха в 1 попытке из 1, в 100 из 100, в 10 тысячах из 10 тысяч, это наша цель - заменить эдисоновский метод на нечто гораздо более продуктивное.
Мы можем теперь оптимизировать не только энергию, но и любое свойство. Самое простое свойство – плотность, и самым плотным материалом из известных до сих пор является алмаз. Алмаз вообще рекордсмен во многих отношениях. В кубическом сантиметре алмаза содержится больше атомов, чем в кубическом сантиметре любого другого вещества. Алмаз - рекордсмен по твёрдости, и это также наименее сжимаемое вещество из известных. Можно ли эти рекорды побить? Теперь мы можем задать это вопрос компьютеру, и компьютер даст ответ. И ответ - да, какие-то из этих рекордов побить можно. Оказалось, что по плотности алмаз побить достаточно легко, есть более плотные формы углерода, которые имеют право на существование, но пока не синтезируются. Эти формы углерода бьют алмаз не только по плотности, но и по оптическим свойствам. Они будут иметь более высокие показатели преломления и дисперсии света - что это значит? Показатель преломления алмаза обеспечивает алмазу его непревзойдённый блеск и внутреннее отражение света - а дисперсия света означает, что белый свет будет расщепляться на спектр от красного до фиолетового ещё в большей степени, чем это делает алмаз. Вот, кстати, материал, который часто заменяет алмаз в ювелирной промышленности, – кубический диоксид циркония, фианит. Он превосходит алмаз по дисперсии света, но, к сожалению, уступает алмазу по блеску. А новые формы углерода победят алмаз по обоим показателям. А что насчёт твёрдости? До 2003 года считалось, что твёрдость – это свойство, которое люди никогда не научатся предсказывать и рассчитывать, в 2003 году всё поменялось с работой китайских учёных, и этим летом я посетил Яншанский университет в Китае, где получил очередную степень почётного профессора, и там я побывал в гостях у основателя всей этой теории. Эта теорию нам удалось развить.
Вот таблица, которая показывает, как расчётные определения твёрдости согласуются с экспериментом. Для большинства нормальных веществ согласие прекрасное, но для графита модели предсказывали, что он должен быть сверхтвёрдым, что очевидно неверно. Нам удалось понять и устранить эту ошибку. И теперь с помощью этой модели мы надежно предсказываем твёрдость для любых веществ, и мы можем задать компьютеру следующий вопрос: какое вещество самое твёрдое? Можно ли превзойти алмаз по твердости? Люди вообще-то думали над этим много-много десятилетий. Итак, какая самая твёрдая структура у углерода? Ответ был обескураживающий: алмаз, и ничего более твердого в углероде быть не может. Но можно найти структуры углерода, которые будут по твёрдости близки к алмазу. Структуры углерода, которые близки к алмазу по твёрдости, действительно имеют право на существование. И одна из них – та, которую я показал вам раньше, с 5- и 7-членными каналами. Дубровинским в 2001 году было предложено в литературе ультратвёрдое вещество - диоксид титана, считалось, что по твердости он ненамного уступает алмазу, но были сомнения. Эксперимент был достаточно спорным. Практически все экспериментальные измерения из той работы были рано или поздно опровержены: твёрдость померить было очень сложно, ввиду малого размера образцов. Но расчёт показал, что твёрдость также была ошибочно измерена в том эксперименте, и реальная твёрдость диоксида титана примерно в 3 раза меньше того, что утверждали экспериментаторы. Так что с помощью такого рода расчётов можно даже судить, какой эксперимент надёжен, какой – нет, настолько эти расчёты сейчас достигли высокой точности.
С углеродом связана еще одна история, которую я хотел бы вам рассказать – особенно бурно она разворачивалась в последние 6 лет. Но началась она 50 лет назад, когда американскими исследователями был проведён такой эксперимент: взяли графит и сжали его до давления порядка 150-200 тысяч атмосфер. Если графит сжимать при высоких температурах, он должен перейти в алмаз, наиболее устойчивую форму углерода при высоких давлениях – именно так алмаз и синтезируют. Если же делать этот эксперимент при комнатной температуре, то алмаз образоваться не может. Почему? Потому что перестройка структуры, которая требуется для превращения графита в алмаз, слишков велика, слишком непохожи эти структуры, и слишком велик энергетический барьер, который нужно преодолеть. И вместо образования алмаза мы будем наблюдать образование некой другой структуры, не самой устойчивой, но той, у которой наименее высокий барьер образования. Мы предложили такую структуру – и назвали ее M-углерод, это та самая структура с 5- и 7-членными кольцами; мои армянские друзья шутя называют его «муглерод-шмуглерод». Оказалось, что эта структура полностью описывает результаты того опыта 50-летней давности, а опыт был повторён много раз. Опыт, кстати, очень красивый – сжимая при комнатной температуре графит (чёрный, мягкий непрозрачный полуметалл), под давлением исследователи получали прозрачный сверхтвёрдый неметалл: совершенно фантастическое превращение! Но это не алмаз, его свойства не согласуются с алмазом, а наша гипотетическая тогда структура полностью описывала свойства этого вещества. Мы страшно обрадовались, написали статью и опубликовали ее в престижном журнале Physical Review Letters, и почивали на лаврах ровно год. Через год американские и японские учёные нашли новую структуру, совершенно от неё отличавшуюся, вот эту, с 4- и 8-членными кольцами. Эта структура полностью отличается от нашей, но почти так же хорошо описывает экспериментальные данные. Проблема в том, что экспериментальные данные были низкого разрешения, и под них подходило много других структур. Прошло ещё полгода, китаец по фамилии Ванг предложил W-углерод, и W-углерод тоже объяснял экспериментальные данные. Вскоре история стала гротескной – в нее влились новые китайские группы, а китайцы любят производить, и они наштамповали порядка 40 структур, и они все подходят под экспериментальные данные: P-, Q-, R-, S–углерод, Q-углерод, Х-, Y-, Z–углерод, М10-углерод известен, Х’-углерод, и так далее – уже и алфавита не хватает. Итак, кто прав? Вообще-то говоря, прав притязаний на правоту у нашего М-углерода поначалу было ровно столько же, сколько и у всех остальных.
Реплика из зала: Все правы.
Артем Оганов: Такого тоже не бывает! Дело в том, что природа выбирает всегда экстремальные решения. Не только люди экстремисты, но и природа тоже экстремистка. При высоких температурах природа выбирает наиболее устойчивое состояние, потому что при высоких температурах можно перейти через любой энергетический барьер, а при низких температурах природа выбирает наименьший барьер, и победитель тут может быть только один. Чемпион может быть только один – но кто именно? Можно провести эксперимент высокого разрешения, но люди пытались 50 лет, и ни у кого ничего не получилось, все результаты были низкого качества. Можно провести расчёт. И в расчёте можно было бы считать активационные барьеры образования всех этих 40 структур. Но, во-первых, китайцы до сих пор штампуют новые и новые структуры, и сколько бы вы ни пытались, всё равно найдётся какой-нибудь китаец, который скажет: а у меня есть ещё одна структура, и вы до конца жизни будете считать эти активационные барьеры, пока вас не отправят на заслуженный отдых. Это первая сложность. Вторая сложность – считать активационные барьеры очень и очень тяжело в твёрдотельных превращениях, это задача, которая крайне нетривиальная, нужны особые методы и мощнейшие компьютеры. Дело в том, что эти превращения происходят не во всём кристалле, а вначале в маленьком фрагменте – зародыше, и потом распространяется в зародыш и дальше. И моделировать этот зародыш - крайне сложная задача. Но мы такой метод нашли, метод, который был разработан раньше австрийскими и американскими учёными, и приспособили его под нашу задачу. Нам удалось этот метод так модифицировать, что одним ударом мы смогли решить эту задачу раз и навсегда. Мы поставили задачу следующим образом: если вы начинаете с графита, жёстко заданное начальное состояние, а конечное состояние задано расплывчато – любая тетраэдрическая, sp3-гибридизованная форма углерода (а именно такие состояния мы и ожидаем под давлением), то какой из барьеров будет минимальным? Этот метод умеет считать барьеры и находит минимальный барьер, но если мы задаём конечное состояние как ансамбль разных структур – то мы можем решить задачу полностью. Мы начали расчет с пути превращения графит – алмаз в качестве «затравки», мы знаем, что это такое превращение не наблюдается в эксперименте, но нам было интересно – что сделает расчёт с этим превращением. Мы подождали немножко (на самом деле, этот расчет занял полгода на суперкомпьютере) - и расчет вместо алмаза нам выдал М-углерод.
Вообще, надо сказать, я крайне везучий человек, шансов на победу у меня было 1/40, потому что было порядка 40 структур, у которых были равноправные шансы победить, но лотерейный билет снова я вытащил. Наш М-углерод победил, мы опубликовали наши результаты в престижном новом журнале Scientific Reports – это новый журнал группы Nature, и через месяц после того, как мы опубликовали наши теоретические результаты, в том же журнале вышли результаты эксперимента высокого разрешения, впервые за 50 лет полученные. Исследователи из Йельского университета сделали эксперимент высокого разрешения и проверили все эти структуры, и оказалось, что только М-углерод удовлетворяет всем экспериментальным данным. И теперь в списке форм углерода есть ещё один экспериментально и теоретически установленный аллотроп углерода, М-углерод.
Упомяну про ещё одно алхимическое превращение. Под давлением ожидается, что все вещества будут превращаться в металл, рано или поздно любое вещество станет металлом. А что будет происходить с веществом, которое изначально уже металл? Например, натрий. Натрий вообще не просто металл, а удивительный металл, описывающийся моделью свободных электронов, то есть это предельный случай хорошего металла. Что будет, если сдавить натрий? Оказывается, что натрий перестанет быть хорошим металлом - вначале натрий превратится в одномерный металл, то есть электричество будет проводить только в одном направлении. При более высоком давлении мы предсказали, что натрий вообще потеряет металличность и превратится в красноватый прозрачный диэлектрик, а если повысить давление ещё больше, то он станет бесцветным, как стёклышко. Итак - вы берёте серебристый металл, сдавливаете его - вначале он превращается в плохой металл, чёрный, как уголь, сдавливаете дальше - он превращается в красноватый прозрачный кристалл, внешне напоминающий рубин, а потом становится белым, как стёклышко. Мы это предсказали, и журнал Nature, куда мы это отправили, отказался это публиковать. Редактор в течение нескольких дней вернул текст и сказал: мы не верим, слишком экзотично. Мы нашли экспериментатора, Михаила Еремца, который готов был это предсказание проверить, - и вот перед вами результат. При давлении 110 Гигапаскаль, это 1,1 миллиона атмосфер, это всё ещё серебристый металл, при 1,5 миллиона атмосфер – это чёрный как уголь плохой металл. При 2 миллионах атмосфер – это прозрачный красноватый неметалл. И уже с этим экспериментом мы очень легко опубликовали наши результаты. Это, кстати, достаточно экзотичное состояние вещества, потому что электроны уже не размазаны в пространстве (как в металлах) и не локализованы на атомах или на связях (как в ионных и ковалентных веществах) – валентные электроны, которые натрию обеспечивали металличность, зажаты в пустотах пространства, там, где нет атомов, и локализованы они очень сильно. Такое вещество можно назвать электридом, т.е. солью, где роль отрицательно заряженных ионов, анионов, выполняют не атомы (скажем, фтора, хлора, кислорода), а сгустки электронной плотности, и наша форма натрия есть самый простой и самый яркий пример электрида из известных.
Можно использовать такого рода расчёты и для понимания вещества земных и планетных недр. Мы узнаём о состоянии земных недр главным образом по непрямым данным, по сейсмологическим данным. Мы знаем, что есть металлическое, главным образом состоящее из железа, ядро Земли, и неметаллическая, состоящая из силикатов магния, оболочка, называющаяся мантией, а у самой поверхности - тоненькая земная кора, на которой мы обитаем, и которая нам известна как раз очень хорошо. А внутренности Земли нам неизвестны почти вовсе. Прямым опробованием мы можем изучить только самую-самую поверхность Земли. Самая глубокая скважина – это Кольская сверхглубокая, ее глубина 12,3 километра, пробурена в СССР, дальше никто не мог добуриться. Американцы пытались буриться, разорились на этом проекте и прекратили его. В СССР вложили огромные суммы, добурили до 12 километров, потом случилась перестройка, и проект заморозили. Но радиус Земли в 500 раз больше, и даже Кольская сверхглубокая скважина пробурила только самую поверхность планеты. А ведь вещество глубин Земли определяет лик Земли: землетрясения, вулканизм, дрейф континентов. Магнитное поле формируется в ядре Земли, до которого нам никогда не добраться. Конвекция расплавленного внешнего ядра Земли и ответственна за образование магнитного поля Земли. Кстати говоря, внутреннее ядро Земли – твёрдое, а внешнее – расплавленное, это как шоколадная конфета с расплавленным шоколадом, а внутри орешек – так можно себе представить ядро Земли. Конвекция твёрдой мантии Земли – очень медленная, ее скорость порядка 1 сантиметра в год; более горячие потоки идут вверх, более холодные - вниз, и это конвективное движение мантии Земли и ответственно за дрейф континентов, вулканизм, землетрясения.
Важный вопрос - какова температура в центре Земли? Мы знаем давление из сейсмологических моделей, а температуру эти модели не дают. Температуру определяют следующим образом: мы знаем, что внутреннее ядро твёрдое, внешнее ядро жидкое, и что ядро состоит из железа. Таким образом, если вы знаете температуру плавления железа на этой глубине, то вы знаете температуру ядра на этой глубине. Были произведены эксперименты, но они дали неопределённость в 2 тысячи градусов, и были произведены расчёты, и расчёты поставили точку на этом вопросе. Температура плавления железа на границе внутреннего и внешнего ядра оказалась порядка 6,4 тысяч градусов Кельвина. Но когда геофизики узнали об этом результате, то оказалось, что эта температура слишком велика для того, чтобы правильно воспроизводить характеристики магнитного поля Земли – эта температура слишком высока. И тут физики вспомнили, что вообще-то ядро – это не чистое железо, а содержит различные примеси. Какие, мы до сих пор точно не знаем, но среди кандидатов – кислород, кремний, сера, углерод, водород. Варьируя разные примеси, сравнивая их эффекты, удалось понять, что температура плавления должна быть понижена на примерно 800 градусов. 5600 градусов Кельвина – такая температура на границе внутреннего и внешнего ядер Земли, и эта оценка является в данный момент общепринятой. Этот эффект понижения температуры примесями, эвтектическое понижение температуры плавления, хорошо известен, благодаря этому эффекту наша обувь страдает зимой – солью посыпаются дороги для того, чтобы понизить температуру плавления снега, и благодаря этому твёрдый снег лёд переходит в жидкое состояние, и наша обувь страдает от этой солёной воды.
А вот, пожалуй, наиболее сильный пример этого же явления – это сплав Вуда – сплав, который состоит из четырех металлов, там есть висмут, свинец, олово и кадмий, каждый из этих металлов имеет относительно высокую температуру плавления, но эффект взаимного понижения температуры плавления работает настолько, что сплав Вуда плавится в кипящей воде. Кто хочет этот опыт проделать? Между прочим, этот образец сплава Вуда я купил в Ереване на чёрном рынке, что, наверное, придаст этому опыту дополнительный колорит.
Лейте кипяток, а я буду держать сплав Вуда, и вы увидите, как капли сплава Вуда будут падать в стакан.
Падают капли - всё, достаточно. Он плавится при температуре горячей воды.
И вот это эффект происходит в ядре Земли, за счёт этого температура плавления железистого сплава понижается. Но вот теперь следующий вопрос: а всё-таки из чего состоит ядро? Мы знаем, что там много железа и есть какие-то легкие элементы-примеси, у нас 5 кандидатов. Мы начали с наименее вероятных кандидатов – таковыми считались углерод и водород. Надо сказать, что до недавнего времени мало кто уделял внимание этим кандидатам, оба считались маловероятными. Мы решили это проверить. С сотрудницей МГУ Зульфией Бажановой мы решили взяться за это дело, предсказать стабильные структуры и стабильные составы карбидов и гидридов железа в условиях ядра Земли. Мы также это сделали и для кремния, где никаких особых сюрпризов не обнаружили, – а для углерода оказалось, что те соединения, которые считались устойчивыми в течение многих десятилетий, на самом деле при давлениях ядра Земля оказываются неустойчивыми. И оказывается, что углерод - очень хороший кандидат, на самом деле одним только углеродом можно объяснить многие свойства внутреннего ядра Земли идеально, вопреки прежним работам. Водород же оказался достаточно плохим кандидатом, одним лишь водородом нельзя объяснить ни одного свойства ядра Земли. Водород может присутствовать в маленьких количествах, но главным элементом-примесью в ядре Земли он быть не может. Для гидридов водорода под давлением мы обнаружили и сюрприз - оказалось, что существует устойчивое соединение с формулой, противоречащей школьной химии. Нормальный химик формулы гидридов водорода напишет как FeH2 и FeH3, вообще говоря, под давлением возникает ещё FeH, и с этим смирились – но то, что под давлением может возникать FeH4, стало настоящим сюрпризом. Если наши дети в школе напишут формулу FeH4, я гарантирую, что они получат двойку по химии, скорее всего, даже в четверти. Но оказывается, что под давлением правила химии нарушаются - и такие экзотические соединения возникают. Но, как я уже сказал, гидриды железа вряд ли имеют значение для внутренностей Земли, вряд ли водород там присутствует в значительных количествах, а вот углерод, скорее всего, присутствует.
И, наконец, последняя иллюстрация, про мантию Земли, вернее, про границу ядра и мантии, так называемый слой D”, обладающий очень странными свойствами. Одним из свойств была анизотропия распространения сейсмических волн, звуковых волн: в вертикальном направлении и в горизонтальном направлении скорости значительно различаются. Почему это так? Долгое время не удавалось понять. Оказывается, что в слое на границе ядра и мантии Земли образуется новая структура силиката магния. Это нам удалось понять 8 лет назад. Одновременно мы и наши японские коллеги опубликовали 2 работы в Science и Nature, которые доказали существование вот этой новой структуры. Видно сразу, что эта структура совершенно по-разному выглядит в разных направлениях, и ее свойства должны различаться в разных направлениях - в том числе, и упругие свойства, которые отвечают за распространение звуковых волн. С помощью этой структуры удалось объяснить все те физические аномалии, которые были обнаружены и доставляли неприятности в течение многих-многих лет. Удалось даже сделать несколько предсказаний.
В частности, на меньших планетах, таких как Меркурий и Марс, не будет слоя, подобного слою D”. Там не хватит давления для стабилизации этой структуры. Также удалось сделать предсказание, что по мере охлаждения Земли этот слой должен расти, потому что устойчивость пост-перовскита растёт с понижением температуры. Возможно, что когда Земля образовалась, этого слоя и вовсе не было, а рожден он был в ранней фазе развития нашей планеты. И вот всё это удаётся понять благодаря предсказаниям новых структур кристаллических веществ.
Реплика из зала: Благодаря генетическому алгоритму.
Артем Оганов: Да, хотя вот эта вот последняя история про пост-перовскит предшествовала изобретению вот этого эволюционного метода. Кстати, она и натолкнула меня на изобретение этого метода.
Реплика из зала: Так 100 лет этому генетическому алгоритму, там что уже только не делали.
Артем Оганов: Этот алгоритм был создан мной и моим аспирантом в 2006 году. Кстати, называть его «генетическим» неверно, более правильное название – «эвлюционный». Эволюционные алгоритмы появились в 70-х годах, и они нашли применение в очень многих областях техники и науки. Например, автомобили, корабли и самолёты - их оптимизируют при помощи эволюционных алгоритмов. Но для каждой новой задачи эволюционный алгоритм – совершенно другой. Эволюционные алгоритмы - это не один метод, а огромная группа методов, целая огромная область прикладной математики, и для каждого нового типа задач нужно изобрести новый подход.
Реплика из зала: Какая математика? Генетика это.
Артем Оганов: Это не генетика – это именно математика. И для каждой новой задачи нужно с нуля изобрести ваш новый алгоритм. И люди на самом деле до нас пытались изобрести эволюционные алгоритмы и адаптировать их для предсказания кристаллических структур. Но они взяли слишком буквально алгоритмы из других областей - и это не сработало, поэтому нам пришлось с нуля создать новый метод, и он оказался очень мощным. Хотя область эволюционных алгоритмов существует примерно столько же, сколько я – по меньшей мере, с 1975 года, для предсказания кристаллических структур потребовались достаточно большие усилия, чтобы создать работающий метод.
Все эти примеры, которые я вам привёл, показывают, как понимание структуры вещества и способность предсказывать структуру вещества приводят к дизайну новых материалов, которые могут иметь интересные оптические свойства, механические свойства, электронные свойства. Материалы, которые составляют недра Земли и других планет. В данном случае можно решать целый спектр интереснейших задач на компьютере при помощи этих методов. Огромный вклад в развитие этого метода и его применение внесли мои сотрудники и более 1000 пользователей нашего метода в разных частях света. Всех этих людей и организаторов этой лекции, и вас - за внимание – позвольте сердечно поблагодарить.
Обсуждение лекции
Борис Долгин: Спасибо большое! Спасибо большое, Артём, спасибо большое организаторам, давшим нам площадку для этой версии публичных лекций, спасибо большое РВК, которая нас в этой инициативе поддержала, я уверен, что исследования Артёма продолжатся, значит, возникнет и новый материал для его лекции у нас, вот, потому что надо сказать, кое-что из того, что звучало сегодня, вообще-то на момент предыдущих лекций по сути ещё не существовало, поэтому это имеет смысл.
Вопрос из зала: Скажите, пожалуйста, как же обеспечить комнатную температуру при столь высоком давлении? Любая система пластического деформирования сопровождается тепловыделением. Вы, к сожалению, не сказали об этом.
Артем Оганов: Дело в том, что всё зависит от того, как быстро вы проводите сжатие. Если сжатие проводится очень быстро, например, в ударных волнах, то оно обязательно сопровождается нагреванием, резкое сжатие приводит обязательно к росту температур. Если же сжатие вы производите медленно, то достаточно времени у образца, чтобы обменяться теплом с его окружением и прийти в тепловое равновесие с его средой.
Вопрос из зала: И ваша установка это позволяла сделать?
Артем Оганов: Эксперимент был проведён не мной, я делал только расчёты и теорию. Я себя к эксперименту не подпускаю по внутренней цензуре. А опыт проводился в камерах с алмазными наковальнями, где между двумя маленькими алмазами сдавливается образец. В таких экспериментах у образца настолько много времени прийти в тепловое равновесие, что вопроса тут не возникает.
Смотрите также: Артем Оганов Как научить компьютер открывать новые материалы