Σύνθεση οργανικών υλικών μέσω υπολογιστή. Σχεδιασμός νέων υλικών μέσω υπολογιστή. Ανακάλυψη νέων χημικών δομών

Σύνθεση οργανικών υλικών μέσω υπολογιστή. Σχεδιασμός νέων υλικών μέσω υπολογιστή. Ανακάλυψη νέων χημικών δομών

Η ουσία της αναζήτησης της πιο σταθερής δομής περιορίζεται στον υπολογισμό μιας τέτοιας κατάστασης ύλης, η οποία έχει τη χαμηλότερη ενέργεια. Η ενέργεια σε αυτή την περίπτωση εξαρτάται από την ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση των πυρήνων και των ηλεκτρονίων των ατόμων που αποτελούν τον υπό μελέτη κρύσταλλο. Μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας κβαντομηχανικούς υπολογισμούς που βασίζονται σε μια απλοποιημένη εξίσωση Schrödinger. Έτσι ο αλγόριθμος USPEX χρησιμοποιεί συναρτησιακή θεωρία πυκνότηταςπου αναπτύχθηκε στο δεύτερο μισό του περασμένου αιώνα. Ο κύριος σκοπός του είναι να απλοποιήσει τους υπολογισμούς της ηλεκτρονικής δομής των μορίων και των κρυστάλλων. Η θεωρία καθιστά δυνατή την αντικατάσταση της συνάρτησης κυμάτων πολλών ηλεκτρονίων από την πυκνότητα ηλεκτρονίων, ενώ παραμένει τυπικά ακριβής (αλλά στην πραγματικότητα, οι προσεγγίσεις αποδεικνύονται αναπόφευκτες). Στην πράξη, αυτό οδηγεί σε μείωση της πολυπλοκότητας των υπολογισμών και, κατά συνέπεια, του χρόνου που θα δαπανηθεί σε αυτούς. Έτσι, οι κβαντομηχανικοί υπολογισμοί συνδυάζονται με τον εξελικτικό αλγόριθμο στο USPEX (Εικ. 2). Πώς λειτουργεί ο εξελικτικός αλγόριθμος;

Μπορείτε να αναζητήσετε δομές με τη χαμηλότερη ενέργεια με απαρίθμηση: τακτοποιήστε τυχαία άτομα το ένα σε σχέση με το άλλο και αναλύστε κάθε τέτοια κατάσταση. Αλλά επειδή ο αριθμός των επιλογών είναι τεράστιος (ακόμα και αν υπάρχουν μόνο 10 άτομα, τότε θα υπάρχουν περίπου 100 δισεκατομμύρια πιθανότητες για τη διάταξή τους μεταξύ τους), ο υπολογισμός θα διαρκούσε πολύ. Ως εκ τούτου, οι επιστήμονες κατάφεραν να επιτύχουν επιτυχία μόνο αφού ανέπτυξαν μια πιο πονηρή μέθοδο. Ο αλγόριθμος USPEX βασίζεται σε μια εξελικτική προσέγγιση (Εικ. 2). Πρώτον, ένας μικρός αριθμός δομών δημιουργείται τυχαία και υπολογίζεται η ενέργειά τους. Επιλογές με την υψηλότερη ενέργεια, δηλαδή τη λιγότερο σταθερή, το σύστημα αφαιρεί και από τις πιο σταθερές δημιουργεί παρόμοιες και τις υπολογίζει ήδη. Ταυτόχρονα, ο υπολογιστής συνεχίζει να παράγει τυχαία νέες δομές για να διατηρήσει την ποικιλομορφία του πληθυσμού, η οποία είναι απαραίτητη προϋπόθεση για την επιτυχή εξέλιξη.

Έτσι, η λογική που ελήφθη από τη βιολογία βοήθησε στην επίλυση του προβλήματος της πρόβλεψης των κρυσταλλικών δομών. Είναι δύσκολο να πούμε ότι υπάρχει ένα γονίδιο σε αυτό το σύστημα, επειδή οι νέες δομές μπορεί να διαφέρουν από τους προκατόχους τους με πολύ διαφορετικούς τρόπους. Τα πιο προσαρμοσμένα στις συνθήκες επιλογής «άτομα» αφήνουν απογόνους, δηλαδή ο αλγόριθμος, μαθαίνοντας από τα λάθη του, μεγιστοποιεί τις πιθανότητες επιτυχίας στην επόμενη προσπάθεια. Το σύστημα βρίσκει μάλλον γρήγορα την επιλογή με τη χαμηλότερη ενέργεια και υπολογίζει αποτελεσματικά την κατάσταση όταν μια δομική μονάδα (κελί) περιέχει δεκάδες, ακόμη και τις πρώτες εκατοντάδες άτομα, ενώ οι προηγούμενοι αλγόριθμοι δεν μπορούσαν να αντεπεξέλθουν ούτε με δέκα.

Μία από τις νέες προκλήσεις που αντιμετωπίζει το USPEX στο MIPT είναι η πρόβλεψη της τριτοταγούς δομής των πρωτεϊνών από την αλληλουχία αμινοξέων τους. Αυτό το πρόβλημα της σύγχρονης μοριακής βιολογίας είναι ένα από τα βασικά. Γενικά, το έργο ενώπιον των επιστημόνων είναι πολύ δύσκολο, επίσης επειδή είναι δύσκολο να υπολογιστεί η ενέργεια για ένα τόσο πολύπλοκο μόριο όπως μια πρωτεΐνη. Σύμφωνα με τον Artem Oganov, ο αλγόριθμός του είναι ήδη σε θέση να προβλέψει τη δομή πεπτιδίων μήκους περίπου 40 αμινοξέων.

Βίντεο 2. Πολυμερή και βιοπολυμερή.Τι ουσίες είναι τα πολυμερή; Ποια είναι η δομή ενός πολυμερούς; Πόσο διαδεδομένη είναι η χρήση πολυμερών υλικών; Ο καθηγητής, διδάκτωρ κρυσταλλογραφίας Artem Oganov μιλά για αυτό.

Επεξήγηση USPEX

Σε ένα από τα άρθρα του για τη δημοφιλή επιστήμη, ο Artem Oganov (Εικ. 3) περιγράφει το USPEX ως εξής:

«Ακολουθεί ένα εικονιστικό παράδειγμα για να καταδείξουμε τη γενική ιδέα. Φανταστείτε ότι πρέπει να βρείτε το ψηλότερο βουνό στην επιφάνεια ενός άγνωστου πλανήτη, όπου βασιλεύει το απόλυτο σκοτάδι. Προκειμένου να εξοικονομήσουμε πόρους, είναι σημαντικό να κατανοήσουμε ότι δεν χρειαζόμαστε έναν πλήρη ανάγλυφο χάρτη, αλλά μόνο το υψηλότερο σημείο του.

Εικόνα 3. Artem Romaevich Oganov

Προσγειώνετε μια μικρή δύναμη βιορομπότ στον πλανήτη, στέλνοντάς τα ένα προς ένα σε τυχαία μέρη. Η οδηγία που πρέπει να ακολουθήσει κάθε ρομπότ είναι να περπατήσει κατά μήκος της επιφάνειας ενάντια στις δυνάμεις της βαρυτικής έλξης και τελικά να φτάσει στην κορυφή του πλησιέστερου λόφου, τις συντεταγμένες του οποίου πρέπει να αναφέρει στην τροχιακή βάση. Δεν έχουμε κεφάλαια για μια μεγάλη ερευνητική ομάδα και η πιθανότητα ένα από τα ρομπότ να ανέβει αμέσως στο ψηλότερο βουνό είναι εξαιρετικά μικρή. Αυτό σημαίνει ότι είναι απαραίτητο να εφαρμοστεί η γνωστή αρχή της ρωσικής στρατιωτικής επιστήμης: «να πολεμάτε όχι με αριθμούς, αλλά με δεξιότητες», η οποία εφαρμόζεται εδώ με τη μορφή μιας εξελικτικής προσέγγισης. Βρίσκοντας τον πλησιέστερο γείτονα, τα ρομπότ συναντιούνται και αναπαράγουν το δικό τους είδος, τοποθετώντας τα κατά μήκος της γραμμής μεταξύ των κορυφών «τους». Οι απόγονοι των βιορομπότ αρχίζουν να ακολουθούν τις ίδιες οδηγίες: κινούνται προς την κατεύθυνση της ανύψωσης του ανάγλυφου, εξερευνώντας την περιοχή ανάμεσα στις δύο κορυφές των «γονέων» τους. Αυτά τα «άτομα» που έχουν συναντήσει κορυφές κάτω από το μέσο επίπεδο ανακαλούνται (έτσι γίνεται η επιλογή) και προσγειώνονται ξανά τυχαία (έτσι διαμορφώνεται η διατήρηση της «γενετικής ποικιλότητας» του πληθυσμού)».

Πώς να εκτιμήσετε το σφάλμα με το οποίο λειτουργεί το USPEX; Μπορείτε να πάρετε ένα πρόβλημα με τη σωστή απάντηση που είναι γνωστή εκ των προτέρων και να το λύσετε ανεξάρτητα 100 φορές χρησιμοποιώντας έναν αλγόριθμο. Εάν ληφθεί η σωστή απάντηση σε 99 περιπτώσεις, τότε η πιθανότητα σφάλματος υπολογισμού θα είναι 1%. Συνήθως οι σωστές προβλέψεις λαμβάνονται με πιθανότητα 98–99% όταν ο αριθμός των ατόμων σε ένα κελί μονάδας είναι 40 τεμάχια.

Ο εξελικτικός αλγόριθμος USPEX οδήγησε σε πολλές ενδιαφέρουσες ανακαλύψεις, ακόμη και στην ανάπτυξη μιας νέας μορφής δοσολογίας ενός ιατρικού προϊόντος, η οποία θα συζητηθεί παρακάτω. Αναρωτιέμαι τι θα γίνει όταν εμφανιστούν υπερυπολογιστές νέας γενιάς; Θα αλλάξει ριζικά ο αλγόριθμος για την πρόβλεψη των κρυσταλλικών δομών; Για παράδειγμα, ορισμένοι επιστήμονες ασχολούνται με την ανάπτυξη κβαντικών υπολογιστών. Στο μέλλον, θα είναι πολύ πιο αποτελεσματικά από τα πιο προηγμένα σύγχρονα. Σύμφωνα με τον Artem Oganov, οι εξελικτικοί αλγόριθμοι θα διατηρήσουν την ηγετική τους θέση, αλλά θα αρχίσουν να λειτουργούν πιο γρήγορα.

Τομείς εργασίας του εργαστηρίου: από τα θερμοηλεκτρικά στα φάρμακα

Ο USPEX αποδείχθηκε ότι ήταν ένας αλγόριθμος όχι μόνο αποτελεσματικός, αλλά και πολυλειτουργικός. Αυτή τη στιγμή, υπό την ηγεσία του Artem Oganov, διεξάγεται πολλή επιστημονική δουλειά σε διάφορους τομείς. Μερικά από τα τελευταία έργα είναι απόπειρες μοντελοποίησης νέων θερμοηλεκτρικών υλικών και πρόβλεψης της δομής των πρωτεϊνών.

«Έχουμε πολλά έργα, ένα από αυτά είναι η μελέτη υλικών χαμηλών διαστάσεων όπως νανοσωματίδια, επιφάνειες υλικών, Το άλλο είναι η μελέτη των χημικών ουσιών υπό υψηλή πίεση. Υπάρχει ένα άλλο ενδιαφέρον έργο που σχετίζεται με την πρόβλεψη νέων θερμοηλεκτρικών υλικών. Τώρα γνωρίζουμε ήδη ότι η προσαρμογή της μεθόδου πρόβλεψης κρυσταλλικής δομής που καταλήξαμε στα προβλήματα των θερμοηλεκτρικών λειτουργεί αποτελεσματικά. Αυτή τη στιγμή είμαστε ήδη έτοιμοι για μια μεγάλη ανακάλυψη, το αποτέλεσμα της οποίας θα πρέπει να είναι η ανακάλυψη νέων θερμοηλεκτρικών υλικών. Είναι ήδη σαφές ότι η μέθοδος που δημιουργήσαμε για τα θερμοηλεκτρικά είναι πολύ ισχυρή, οι δοκιμές που πραγματοποιήθηκαν είναι επιτυχείς. Και είμαστε πλήρως έτοιμοι να αναζητήσουμε πραγματικά νέα υλικά. Ασχολούμαστε επίσης με την πρόβλεψη και τη μελέτη νέων υπεραγωγών υψηλής θερμοκρασίας. Θέτουμε τον εαυτό μας το ερώτημα της πρόβλεψης της δομής των πρωτεϊνών. Αυτή είναι μια νέα πρόκληση για εμάς και πολύ ενδιαφέρουσα».

Είναι ενδιαφέρον ότι το USPEX έχει ήδη ωφελήσει ακόμη και την ιατρική: «Επιπλέον, αναπτύσσουμε νέα φάρμακα. Συγκεκριμένα, προβλέψαμε, λάβαμε και κατοχυρώσαμε με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας ένα νέο φάρμακο,- λέει ο A.R. Ογκάνοφ. - Είναι ένυδρη 4-αμινοπυριδίνη, φάρμακο για τη σκλήρυνση κατά πλάκας».

Μιλάμε για ένα φάρμακο που κατοχυρώθηκε πρόσφατα με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας από τους Valery Roizen (Εικ. 4), Anastasia Naumova και Artem Oganov, μέλος του Laboratory for Computer Design of Materials, που επιτρέπει τη συμπτωματική θεραπεία της σκλήρυνσης κατά πλάκας. Το δίπλωμα ευρεσιτεχνίας είναι ανοιχτό, γεγονός που θα βοηθήσει στη μείωση της τιμής του φαρμάκου. Η σκλήρυνση κατά πλάκας είναι μια χρόνια αυτοάνοση νόσος, δηλαδή μια από εκείνες τις παθολογίες όταν το ανοσοποιητικό σύστημα του ίδιου του ξενιστή βλάπτει τον ξενιστή. Σε αυτή την περίπτωση, το περίβλημα μυελίνης των νευρικών ινών είναι κατεστραμμένο, το οποίο κανονικά εκτελεί μια ηλεκτρικά μονωτική λειτουργία. Είναι πολύ σημαντικό για τη φυσιολογική λειτουργία των νευρώνων: το ρεύμα μέσω των αποφύσεων των επικαλυμμένων με μυελίνη νευρικών κυττάρων διοχετεύεται 5-10 φορές πιο γρήγορα από ό,τι μέσω των μη επικαλυμμένων. Επειδή η σκλήρυνση κατά πλάκας οδηγεί σε διαταραχή του νευρικού συστήματος.

Τα υποκείμενα αίτια της σκλήρυνσης κατά πλάκας παραμένουν ασαφή. Πολλά εργαστήρια σε όλο τον κόσμο προσπαθούν να τα κατανοήσουν. Στη Ρωσία, αυτό γίνεται από το εργαστήριο βιοκατάλυσης στο Ινστιτούτο Βιοοργανικής Χημείας.

Εικόνα 4. Valery Roizen - ένας από τους συγγραφείς μιας πατέντας για ένα φάρμακο για τη σκλήρυνση κατά πλάκας,υπάλληλος του Εργαστηρίου Υπολογιστικού Σχεδιασμού Υλικών, που αναπτύσσει νέες δοσολογικές μορφές φαρμάκων και συμμετέχει ενεργά στη διάδοση της επιστήμης.

Βίντεο 3. Διάλεξη δημοφιλής επιστήμης από τον Valery Roizen "Delicious crystals".Θα μάθετε για τις αρχές του τρόπου λειτουργίας των ναρκωτικών, τη σημασία της μορφής παροχής φαρμάκων στο ανθρώπινο σώμα και τον κακό δίδυμο αδελφό της ασπιρίνης.

Προηγουμένως, η 4-αμινοπυριδίνη χρησιμοποιήθηκε ήδη στην κλινική, αλλά οι επιστήμονες κατάφεραν να βελτιώσουν την απορρόφηση αυτού του φαρμάκου στο αίμα αλλάζοντας τη χημική σύνθεση. Έλαβαν μια κρυσταλλική ένυδρη 4-αμινοπυριδίνη (Εικ. 5) με στοιχειομετρία 1:5. Σε αυτή τη μορφή, το ίδιο το φάρμακο και η μέθοδος απόκτησής του κατοχυρώθηκαν με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας. Η ουσία βελτιώνει την απελευθέρωση νευροδιαβιβαστών στις νευρομυϊκές συνάψεις, γεγονός που διευκολύνει τους ασθενείς με σκλήρυνση κατά πλάκας να αισθάνονται καλύτερα. Αξίζει να σημειωθεί ότι αυτός ο μηχανισμός περιλαμβάνει τη θεραπεία των συμπτωμάτων, αλλά όχι την ίδια τη νόσο. Εκτός από τη βιοδιαθεσιμότητα, το θεμελιώδες σημείο της νέας εξέλιξης είναι το εξής: δεδομένου ότι ήταν δυνατό να «συμπερασθεί» η 4-αμινοπυριδίνη σε έναν κρύσταλλο, έγινε πιο βολικό για χρήση στην ιατρική. Οι κρυσταλλικές ουσίες είναι σχετικά εύκολο να ληφθούν σε καθαρή και ομοιογενή μορφή και η ελευθερία του φαρμάκου από δυνητικά επιβλαβείς ακαθαρσίες είναι ένα από τα βασικά κριτήρια για ένα καλό φάρμακο.

Ανακάλυψη νέων χημικών δομών

Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, το USPEX σας επιτρέπει να βρείτε νέες χημικές δομές. Αποδεικνύεται ότι ακόμη και ο «συνηθισμένος» άνθρακας έχει τα δικά του μυστήρια. Ο άνθρακας είναι ένα πολύ ενδιαφέρον χημικό στοιχείο επειδή σχηματίζει ένα ευρύ φάσμα δομών που κυμαίνονται από υπερσκληρά διηλεκτρικά έως μαλακούς ημιαγωγούς και ακόμη και υπεραγωγούς. Το πρώτο περιλαμβάνει διαμάντι και λονσδαλεΐτη, το δεύτερο - γραφίτη, και το τρίτο - μερικά φουλερένια σε χαμηλές θερμοκρασίες. Παρά τη μεγάλη ποικιλία των γνωστών μορφών άνθρακα, οι επιστήμονες με επικεφαλής τον Artem Oganov κατάφεραν να ανακαλύψουν μια θεμελιωδώς νέα δομή: δεν ήταν προηγουμένως γνωστό ότι ο άνθρακας μπορεί να σχηματίσει σύμπλοκα φιλοξενούμενου-ξενιστή (Εικ. 6). Την εργασία παρακολούθησαν και υπάλληλοι του εργαστηρίου σχεδιασμού υλικών με τη βοήθεια υπολογιστή (Εικ. 7).

Εικόνα 7. Oleg Feya, διδάκτορας του MIPT, υπάλληλος του Εργαστηρίου Σχεδιασμού Υπολογιστών Υλικών και ένας από τους συγγραφείς της ανακάλυψης μιας νέας δομής άνθρακα. Στον ελεύθερο χρόνο του, ο Oleg ασχολείται με τη διάδοση της επιστήμης: τα άρθρα του μπορούν να διαβαστούν στις εκδόσεις Schrödinger's Cat, For Science, STRF.ru, Rosatom Country. Επιπλέον, ο Oleg είναι ο νικητής της Μόσχας επιστήμη slamκαι συμμετέχοντας στην τηλεοπτική εκπομπή «The Smartest».

Η αλληλεπίδραση «επισκέπτης-ξενιστής» εκδηλώνεται, για παράδειγμα, σε σύμπλοκα που αποτελούνται από μόρια που συνδέονται μεταξύ τους με μη ομοιοπολικούς δεσμούς. Δηλαδή, ένα συγκεκριμένο άτομο / μόριο καταλαμβάνει μια συγκεκριμένη θέση στο κρυσταλλικό πλέγμα, αλλά δεν σχηματίζει ομοιοπολικό δεσμό με τις γύρω ενώσεις. Αυτή η συμπεριφορά είναι ευρέως διαδεδομένη μεταξύ των βιολογικών μορίων που συνδέονται μεταξύ τους για να σχηματίσουν ισχυρά και μεγάλα συμπλέγματα που εκτελούν διάφορες λειτουργίες στο σώμα μας. Γενικά, εννοούμε ενώσεις που αποτελούνται από δύο τύπους δομικών στοιχείων. Για ουσίες που σχηματίζονται μόνο από άνθρακα, τέτοιες μορφές δεν ήταν γνωστές. Οι επιστήμονες δημοσίευσαν την ανακάλυψή τους το 2014, επεκτείνοντας τις γνώσεις μας για τις ιδιότητες και τη συμπεριφορά της 14ης ομάδας χημικών στοιχείων γενικά (Εικ. 8) Αξίζει να σημειωθεί ότι στην ανοιχτή μορφή του άνθρακα σχηματίζονται ομοιοπολικοί δεσμοί μεταξύ των ατόμων. Μιλάμε για τον τύπο επισκέπτη-οικοδεσπότη λόγω της παρουσίας σαφώς καθορισμένων δύο τύπων ατόμων άνθρακα, τα οποία έχουν εντελώς διαφορετικά δομικά περιβάλλοντα.

Νέα χημεία υψηλής πίεσης

Στο εργαστήριο σχεδιασμού υλικών με τη βοήθεια υπολογιστή, μελετούν ποιες ουσίες θα είναι σταθερές σε υψηλές πιέσεις. Δείτε πώς ο επικεφαλής του εργαστηρίου υποστηρίζει το ενδιαφέρον για μια τέτοια έρευνα: «Μελετούμε υλικά υπό υψηλή πίεση, ιδιαίτερα τη νέα χημεία που εμφανίζεται κάτω από τέτοιες συνθήκες. Αυτή είναι μια πολύ ασυνήθιστη χημεία που δεν ταιριάζει στους κανόνες του παραδοσιακού. Η γνώση που αποκτάται για τις νέες ενώσεις θα οδηγήσει στην κατανόηση του τι συμβαίνει μέσα στους πλανήτες. Επειδή αυτές οι ασυνήθιστες χημικές ουσίες μπορούν να αποδειχθούν πολύ σημαντικά υλικά στο εσωτερικό του πλανήτη».Είναι δύσκολο να προβλέψουμε πώς συμπεριφέρονται οι ουσίες υπό υψηλή πίεση: οι περισσότεροι από τους χημικούς κανόνες σταματούν να λειτουργούν, επειδή αυτές οι συνθήκες είναι πολύ διαφορετικές από αυτές που έχουμε συνηθίσει. Ωστόσο, αυτό πρέπει να γίνει κατανοητό αν θέλουμε να μάθουμε πώς λειτουργεί το Σύμπαν. Η μερίδα του λέοντος της βαρυονικής ύλης του Σύμπαντος βρίσκεται υπό υψηλή πίεση μέσα στους πλανήτες, τα αστέρια, τους δορυφόρους. Παραδόξως, πολύ λίγα είναι γνωστά για τη χημεία του.

Η νέα χημεία, η οποία εφαρμόζεται σε υψηλή πίεση στο εργαστήριο σχεδιασμού υλικών με τη βοήθεια υπολογιστή στο MIPT, μελετάται από τον Gabriele Saleh, PhD (πτυχίο παρόμοιο με Ph.D.):

«Είμαι χημικός και με ενδιαφέρει η χημεία σε υψηλές πιέσεις. Γιατί; Γιατί έχουμε κανόνες χημείας που διατυπώθηκαν πριν από 100 χρόνια, αλλά πρόσφατα αποδείχθηκε ότι σταματούν να λειτουργούν σε υψηλές πιέσεις. Και είναι πολύ ενδιαφέρον! Είναι σαν ένα λούνα παρκ: υπάρχει ένα φαινόμενο που κανείς δεν μπορεί να εξηγήσει. να εξερευνήσετε ένα νέο φαινόμενο και να προσπαθήσετε να καταλάβετε γιατί συμβαίνει είναι πολύ ενδιαφέρον. Ξεκινήσαμε τη συζήτηση με θεμελιώδη πράγματα. Αλλά υπάρχουν υψηλές πιέσεις και στον πραγματικό κόσμο. Φυσικά, όχι σε αυτό το δωμάτιο, αλλά μέσα στη Γη και σε άλλους πλανήτες. .

Επειδή είμαι χημικός, με ενδιαφέρει η χημεία υψηλής πίεσης. Γιατί; Επειδή έχουμε χημικούς κανόνες που θεσπίστηκαν πριν από εκατό χρόνια, αλλά πρόσφατα ανακαλύφθηκε ότι αυτοί οι κανόνες παραβιάζονται σε υψηλή πίεση. Και είναι πολύ ενδιαφέρον! Αυτό είναι σαν ένα loonopark επειδή έχετε ένα φαινόμενο, το οποίο κανείς δεν μπορεί να εκλογικεύσει. Είναι ενδιαφέρον να μελετήσουμε ένα νέο φαινόμενο και να προσπαθήσουμε να καταλάβουμε γιατί συμβαίνει αυτό. Ξεκινήσαμε από τη θεμελιώδη σκοπιά. Αλλά αυτές οι υψηλές πιέσεις υπάρχουν. Όχι βέβαια σε αυτό το δωμάτιο αλλά στο εσωτερικό της Γης και σε άλλους πλανήτες.

Σχήμα 9. Το ανθρακικό οξύ (H 2 CO 3) είναι μια δομή σταθερή στην πίεση. Εισάγεται από πάνωέδειξε ότι μαζί Άξονας Γσχηματίζονται πολυμερείς δομές. Η μελέτη του συστήματος άνθρακα-οξυγόνου-υδρογόνου υπό υψηλές πιέσεις είναι πολύ σημαντική για την κατανόηση της διάταξης των πλανητών. Το H 2 O (νερό) και το CH 4 (μεθάνιο) είναι τα κύρια συστατικά ορισμένων γιγάντιων πλανητών - για παράδειγμα ο Ποσειδώνας και ο Ουρανός, όπου η πίεση μπορεί να φτάσει τις εκατοντάδες GPa. Μεγάλοι παγωμένοι δορυφόροι (Γανυμήδης, Καλλιστώ, Τιτάνας) και κομήτες περιέχουν επίσης νερό, μεθάνιο και διοξείδιο του άνθρακα, τα οποία υπόκεινται σε πίεση έως και αρκετά GPa.

Ο Gabriele μας μίλησε για τη νέα του δουλειά, η οποία έγινε πρόσφατα δεκτή για δημοσίευση:

«Μερικές φορές κάνεις βασικές επιστήμες, αλλά μετά βρίσκεις μια άμεση εφαρμογή της γνώσης που αποκτήθηκε. Για παράδειγμα, υποβάλαμε πρόσφατα ένα άρθρο για δημοσίευση που περιγράφει τα αποτελέσματα μιας αναζήτησης για όλες τις σταθερές ενώσεις που παράγονται από άνθρακα, υδρογόνο και οξυγόνο σε υψηλή πίεση. Βρήκαμε ένα που είναι σταθερό σε πολύ χαμηλές πιέσεις όπως 1 GPa. , και αποδείχθηκε ότι ήταν ανθρακικό οξύ H 2 CO 3(Εικ. 9). Μελέτησα τη βιβλιογραφία για την αστροφυσική και βρήκα ότι τα φεγγάρια του Γανυμήδη και της Καλλιστώ [φεγγάρια του Δία] αποτελούνται από νερό και διοξείδιο του άνθρακα: μόρια που σχηματίζουν ανθρακικό οξύ. Έτσι συνειδητοποιήσαμε ότι η ανακάλυψή μας υποδηλώνει το σχηματισμό ανθρακικού οξέος εκεί. Για αυτό μίλησα: όλα ξεκίνησαν από τη βασική επιστήμη και κατέληξαν σε κάτι σημαντικό για τη μελέτη των δορυφόρων και των πλανητών». .

Σημειώστε ότι τέτοιες πιέσεις αποδεικνύονται χαμηλές σε σχέση με αυτές που καταρχήν μπορούν να βρεθούν στο Σύμπαν, αλλά υψηλές σε σύγκριση με αυτές που δρουν πάνω μας κοντά στην επιφάνεια της Γης.

Έτσι, μερικές φορές μελετάτε κάτι για θεμελιώδεις επιστήμες, αλλά μετά ανακαλύπτετε ότι έχει σωστή εφαρμογή. Για παράδειγμα, μόλις υποβάλαμε μια εργασία στην οποία πήραμε άνθρακα, υδρογόνο, οξυγόνο σε υψηλή πίεση και προσπαθήσαμε να αναζητήσουμε όλες τις σταθερές ενώσεις. Βρήκαμε ένα που ήταν ανθρακικό οξύ και ήταν σταθερό σε πολύ χαμηλή πίεση όπως ένα γιγαπασκάλ. Ερευνώ τη βιβλιογραφία της αστροφυσικής και ανακάλυψα: υπάρχουν δορυφόροι όπως ο Γανυμήδης ή ο Καλίστο. Πάνω τους υπάρχει διοξείδιο του άνθρακα και νερό. Τα μόρια που σχηματίζουν αυτό το ανθρακικό οξύ. Έτσι συνειδητοποιήσαμε ότι αυτή η ανακάλυψη σημαίνει ότι πιθανότατα θα υπήρχε ανθρακικό οξύ. Αυτό εννοώ με το ξεκίνημα για θεμελιώδη και ανακάλυψη κάτι που είναι εφαρμόσιμο στην πλανητική επιστήμη.

Ένα άλλο παράδειγμα ασυνήθιστης χημείας που μπορεί να δοθεί αφορά το γνωστό επιτραπέζιο αλάτι NaCl. Αποδεικνύεται ότι εάν μπορείτε να πιέσετε το αναδευτήρα αλατιού σας στα 350 GPa, θα λάβετε νέες ενώσεις. Το 2013, υπό την ηγεσία του A.R. Oganov, αποδείχθηκε ότι εάν εφαρμοστεί υψηλή πίεση στο NaCl, τότε οι ασυνήθιστες ενώσεις γίνονται σταθερές - για παράδειγμα, NaCl 7 (Εικ. 10) και Na 3 Cl. Είναι ενδιαφέρον ότι πολλές από τις ουσίες που ανακαλύφθηκαν είναι μέταλλα. Οι Gabriele Saleh και Artem Oganov συνέχισαν την πρωτοποριακή εργασία στην οποία έδειξαν την εξωτική συμπεριφορά των χλωριούχων νατρίου υπό υψηλή πίεση και ανέπτυξαν ένα θεωρητικό μοντέλο που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την πρόβλεψη των ιδιοτήτων των ενώσεων αλκαλιμετάλλων με αλογόνα.

Περιέγραψαν τους κανόνες που υπακούουν αυτές οι ουσίες κάτω από τέτοιες ασυνήθιστες συνθήκες. Χρησιμοποιώντας τον αλγόριθμο USPEX, αρκετές ενώσεις με τον τύπο A 3 Y (A = Li, Na, K, Y = F, Cl, Br) υποβλήθηκαν θεωρητικά σε πιέσεις έως και 350 GPa. Αυτό οδήγησε στην ανακάλυψη ιόντων χλωρίου σε οξειδωμένη κατάσταση -2. Η "τυποποιημένη" χημεία το απαγορεύει αυτό. Κάτω από τέτοιες συνθήκες, νέες ουσίες μπορούν να σχηματιστούν, για παράδειγμα, με τον χημικό τύπο Na 4 Cl 3.

Εικόνα 10. Κρυσταλλική δομή κοινού άλατος NaCl ( αριστερά) και την ασυνήθιστη ένωση NaCl 7 ( στα δεξιά), σταθερό υπό πίεση.

Η χημεία χρειάζεται νέους κανόνες

Ο Gabriele Saleh (Εικ. 11) μίλησε για την έρευνά του με στόχο την περιγραφή νέων κανόνων χημείας που θα είχαν προγνωστική ισχύ όχι μόνο υπό τυπικές συνθήκες, αλλά θα περιέγραφαν τη συμπεριφορά και τις ιδιότητες των ουσιών υπό υψηλή πίεση (Εικ. 12).

Εικόνα 11. Gabriele Saleh

«Πριν από δύο ή τρία χρόνια, ο καθηγητής Oganov ανακάλυψε ότι ένα τόσο απλό άλας όπως το NaCl δεν είναι τόσο απλό υπό υψηλή πίεση: το νάτριο και το χλώριο μπορούν επίσης να σχηματίσουν άλλες ενώσεις. Κανείς όμως δεν ήξερε γιατί. Οι επιστήμονες έκαναν υπολογισμούς, έλαβαν αποτελέσματα, αλλά παρέμενε άγνωστο γιατί όλα γίνονται έτσι και όχι αλλιώς. Σπουδάζω χημικούς δεσμούς από το μεταπτυχιακό και κατά τη διάρκεια της έρευνάς μου κατάφερα να διατυπώσω κάποιους κανόνες που εξηγούν λογικά τι συμβαίνει. Μελέτησα πώς συμπεριφέρονται τα ηλεκτρόνια σε αυτές τις ενώσεις και κατέληξα σε γενικά μοτίβα που είναι χαρακτηριστικά τους υπό υψηλή πίεση. Προκειμένου να ελέγξω αν αυτοί οι κανόνες είναι αποκύημα της φαντασίας μου ή εξακολουθούν να είναι αντικειμενικά αληθινοί, πρόβλεψα τις δομές παρόμοιων ενώσεων - LiBr ή NaBr, και μερικές ακόμη παρόμοιες. Πράγματι, ισχύουν οι γενικοί κανόνες. Εν ολίγοις, έχω δει ότι υπάρχει η τάση όταν ασκείς πίεση σε τέτοιους αρμούς να σχηματίζουν μια δισδιάστατη μεταλλική κατασκευή και μετά μονοδιάστατη. Στη συνέχεια, υπό πολύ υψηλή πίεση, αρχίζουν να συμβαίνουν πιο άγρια ​​πράγματα επειδή το χλώριο θα είχε μια κατάσταση οξείδωσης -2. Όλοι οι χημικοί γνωρίζουν ότι το χλώριο έχει κατάσταση οξείδωσης -1, αυτό είναι ένα τυπικό παράδειγμα βιβλίου: το νάτριο χάνει ένα ηλεκτρόνιο και το χλώριο το παίρνει. Επομένως, οι αριθμοί οξείδωσης είναι +1 και −1, αντίστοιχα. Αλλά υπό υψηλή πίεση, τα πράγματα δεν λειτουργούν έτσι. Αυτό το έχουμε δείξει με τη βοήθεια ορισμένων προσεγγίσεων για την ανάλυση των χημικών δεσμών. Επίσης, κατά τη διάρκεια της εργασίας, έψαξα για ειδική βιβλιογραφία για να καταλάβω αν κάποιος είχε ήδη παρατηρήσει τέτοια μοτίβα. Και αποδείχθηκε ότι ναι, το έκαναν. Αν δεν κάνω λάθος, το βισμουθικό νάτριο και κάποιες άλλες ενώσεις υπακούουν στους κανόνες που περιγράφονται. Φυσικά, αυτό είναι μόνο η αρχή. Όταν δημοσιευτούν οι επόμενες εργασίες για το θέμα, θα μάθουμε αν το μοντέλο μας έχει πραγματική προγνωστική δύναμη. Γιατί αυτό ακριβώς ψάχνουμε. Θέλουμε να περιγράψουμε χημικούς νόμους που θα ισχύουν ακόμη και σε υψηλές πιέσεις». .

Πριν από δύο ή τρία χρόνια ο καθηγητής Oganov ανακάλυψε ότι το απλό άλας NaCl σε υψηλή πίεση δεν είναι πολύ απλό και θα σχηματιστούν άλλες ενώσεις. Κανείς όμως δεν ξέρει γιατί. Έκαναν έναν υπολογισμό ότι πήραν τα αποτελέσματα, αλλά δεν μπορείτε να πείτε γιατί συμβαίνει αυτό. Επειδή λοιπόν κατά τη διάρκεια του διδακτορικού μου ειδικεύομαι στη μελέτη των χημικών δεσμών, ερευνώ αυτές τις ενώσεις και βρίσκω κάποιον κανόνα για να εκλογικεύσω αυτό που συμβαίνει. Το πώς τα ηλεκτρόνια ερευνούν συμπεριφέρονται σε αυτές τις ενώσεις και κατέληξα σε μερικούς κανόνες που θα ακολουθήσουν αυτά τα είδη ενώσεων σε υψηλή πίεση. Για να ελέγξω αν οι κανόνες μου ήταν απλώς της φαντασίας μου ή ήταν αληθινοί, προέβλεψα νέες δομές παρόμοιων ενώσεων. Για παράδειγμα LiBr ή NaBr και κάποιοι συνδυασμοί σαν αυτόν. Και ναι, αυτοί οι κανόνες αποδεικνύεται ότι τηρούνται. Εν ολίγοις, για να μην είμαι πολύ εξειδικευμένος, έχω δει ότι υπάρχει μια τάση: όταν τα συμπιέζεις θα σχηματίσουν δισδιάστατα μέταλλα και μετά μονοδιάστατη δομή μετάλλου. Και τότε σε πολύ υψηλή πίεση θα συνέβαινε κάτι περισσότερο άγριο επειδή το Cl σε αυτή την περίπτωση θα έχει τον αριθμό οξείδωσης −2. Όλοι οι χημικοί γνωρίζουν ότι ο χαμηλότερος αριθμός οξείδωσης του Cl είναι −1, που είναι χαρακτηριστικό παράδειγμα σχολικού βιβλίου: το νάτριο χάνει ηλεκτρόνιο και το χλώριο το παίρνει. Άρα έχουμε αριθμούς οξείδωσης +1 και −1. Αλλά σε πολύ υψηλή πίεση δεν ισχύει πλέον. Το αποδείξαμε αυτό με ορισμένες προσεγγίσεις για την ανάλυση χημικών δεσμών. Σε αυτό το έργο προσπάθησα επίσης να κοιτάξω τη βιβλιογραφία για να μάθω αν κάποιος έχει ξαναδεί τέτοιου είδους κανόνες. Και ναι, αποδείχθηκε ότι υπήρχαν κάποιοι. Αν δεν κάνω λάθος, το Na-Bi και άλλες ενώσεις αποδείχθηκε ότι ακολουθούν αυτούς τους κανόνες. Είναι απλώς μια αφετηρία, φυσικά. Θα βγουν και τα άλλα χαρτιά και θα δούμε αν αυτό το μοντέλο έχει πραγματική προγνωστική δύναμη. Γιατί αυτό ψάχνουμε. Θέλουμε να σκιαγραφήσουμε τη χημεία που θα λειτουργήσει και για την υψηλή πίεση.

Εικόνα 12. Η δομή μιας ουσίας με χημικό τύπο Na 4 Cl 3 , η οποία σχηματίζεται σε πίεση 125-170 GPa, που καταδεικνύει ξεκάθαρα την εμφάνιση «περίεργης» χημείας υπό πίεση.

Αν πειραματιστείτε, τότε επιλεκτικά

Παρά το γεγονός ότι ο αλγόριθμος USPEX έχει μεγάλη προγνωστική ισχύ εντός των εργασιών του, η θεωρία απαιτεί πάντα πειραματική επαλήθευση. Το Computer Materials Design Lab είναι θεωρητικό, όπως υποδηλώνει ακόμη και το όνομά του. Ως εκ τούτου, τα πειράματα πραγματοποιούνται σε συνεργασία με άλλες επιστημονικές ομάδες. Ο Gabriele Saleh σχολιάζει την ερευνητική στρατηγική που υιοθετήθηκε στο εργαστήριο ως εξής:

«Δεν κάνουμε πειράματα - είμαστε θεωρητικοί. Συχνά όμως συνεργαζόμαστε με ανθρώπους που το κάνουν. Στην πραγματικότητα, νομίζω ότι είναι γενικά δύσκολο. Σήμερα, η επιστήμη είναι εξαιρετικά εξειδικευμένη, επομένως δεν είναι εύκολο να βρεις κάποιον που να κάνει και τα δύο». .

Δεν κάνουμε πειράματα, αλλά συχνά συνεργαζόμαστε με κάποιους ανθρώπους που κάνουν πειράματα. Στην πραγματικότητα, νομίζω ότι είναι δύσκολο. Στις μέρες μας η επιστήμη είναι πολύ εξειδικευμένη, οπότε είναι δύσκολο να βρεις κάποιον που να κάνει και τα δύο.

Ένα από τα πιο ξεκάθαρα παραδείγματα είναι η πρόβλεψη του διαφανούς νατρίου. Το 2009 στο περιοδικό Φύσηδημοσιεύτηκαν τα αποτελέσματα των εργασιών που πραγματοποιήθηκαν υπό τη διεύθυνση του Artem Oganov. Στο άρθρο, οι επιστήμονες περιέγραψαν μια νέα μορφή Na, στην οποία είναι ένα διαφανές μη μέταλλο, που μετατρέπεται σε διηλεκτρικό υπό πίεση. Γιατί συμβαίνει αυτό? Αυτό οφείλεται στη συμπεριφορά των ηλεκτρονίων σθένους: υπό πίεση, ωθούνται προς τα έξω στα κενά του κρυσταλλικού πλέγματος που σχηματίζεται από άτομα νατρίου (Εικ. 13). Σε αυτή την περίπτωση, οι μεταλλικές ιδιότητες της ουσίας εξαφανίζονται και εμφανίζονται οι ιδιότητες του διηλεκτρικού. Μια πίεση 2 εκατομμυρίων ατμοσφαιρών κάνει το νάτριο κόκκινο και 3 εκατομμύρια ατμόσφαιρες το καθιστά άχρωμο.

Εικόνα 13. Νάτριο υπό πίεση πάνω από 3 εκατομμύρια ατμόσφαιρες. σε μπλεδείχνει την κρυσταλλική δομή των ατόμων νατρίου, πορτοκάλι- δέσμες ηλεκτρονίων σθένους σε κενά της δομής.

Λίγοι πίστευαν ότι το κλασικό μέταλ θα μπορούσε να επιδείξει τέτοια συμπεριφορά. Ωστόσο, σε συνεργασία με τον φυσικό Mikhail Yeremets, ελήφθησαν πειραματικά δεδομένα που επιβεβαίωσαν πλήρως την πρόβλεψη (Εικ. 14).

Εικόνα 14. Φωτογραφίες δείγματος Na που ελήφθησαν με συνδυασμό μεταδιδόμενου και ανακλώμενου φωτισμού.Στο δείγμα εφαρμόστηκαν διαφορετικές πιέσεις: 199 GPa (διαφανής φάση), 156 GPa, 124 GPa και 120 GPa.

Πρέπει να δουλέψεις με τη φωτιά!

Ο Artem Oganov μας είπε ποιες απαιτήσεις θέτει στους υπαλλήλους του:

«Πρώτον, πρέπει να έχουν καλή εκπαίδευση. Δεύτερον, να είστε εργατικοί. Αν κάποιος είναι τεμπέλης, τότε δεν θα τον προσλάβω, και αν τον προσλάβω ξαφνικά κατά λάθος, θα τον διώξουν. Απλώς απέλυσα αρκετούς υπαλλήλους που αποδείχτηκαν τεμπέληδες, αδρανείς, άμορφοι. Και νομίζω ότι αυτό είναι απολύτως σωστό και καλό ακόμα και για τον ίδιο τον άνθρωπο. Γιατί αν ο άνθρωπος δεν είναι στη θέση του, δεν θα είναι ευτυχισμένος. Πρέπει να πάει εκεί που θα δουλέψει με μια λάμψη, με ενθουσιασμό, με ευχαρίστηση. Και αυτό είναι καλό για το εργαστήριο και καλό για τον άνθρωπο. Και εκείνοι οι τύποι που δουλεύουν πραγματικά όμορφα, με μια ριπή, πληρώνουμε καλούς μισθούς, πηγαίνουν σε συνέδρια, γράφουν άρθρα που μετά δημοσιεύονται στα καλύτερα περιοδικά του κόσμου, όλα θα πάνε καλά μαζί τους. Γιατί βρίσκονται στο σωστό μέρος και γιατί το εργαστήριο διαθέτει καλούς πόρους για να τους υποστηρίξει. Δηλαδή, τα παιδιά δεν χρειάζεται να σκέφτονται να κερδίσουν χρήματα για να επιβιώσουν. Μπορούν να επικεντρωθούν στην επιστήμη, στην αγαπημένη τους επιχείρηση και να το κάνουν με επιτυχία. Τώρα έχουμε κάποιες νέες επιχορηγήσεις, και αυτό μας ανοίγει τη δυνατότητα να προσλάβουμε μερικά ακόμη άτομα. Υπάρχει διαρκώς ανταγωνισμός. Ο κόσμος κάνει αίτηση όλο το χρόνο, αλλά φυσικά δεν τους δέχομαι όλους».. (2016). 4-Κρυσταλλική ένυδρη αμινοπυριδίνη, μέθοδος παρασκευής της, φαρμακευτική σύνθεση και μέθοδος θεραπείας ή/και πρόληψης με βάση αυτήν. Phys. Chem. Chem. Phys. 18 , 2840–2849;

  • Ma Y., Eremets M., Oganov A.R., Xie Y., Trojan I., Medvedev S. et al. (2009). Διαφανές πυκνό νάτριο. Φύση. 458 , 182–185;
  • Lyakhov A.O., Oganov A.R., Stokes H.T., Zhu Q. (2013). Νέες εξελίξεις στον αλγόριθμο πρόβλεψης εξελικτικής δομής USPEX. Υπολογιστής. Phys. κοιν. 184 , 1172–1182.

    • Ο Artem Oganov, ένας από τους πιο αναφερόμενους θεωρητικούς ορυκτολόγους στον κόσμο, μας μίλησε για μια πρόβλεψη υπολογιστή που έγινε πρόσφατα εφικτή. Προηγουμένως, αυτό το πρόβλημα δεν μπορούσε να λυθεί επειδή το πρόβλημα του σχεδιασμού νέων υλικών από υπολογιστή περιλαμβάνει το πρόβλημα των κρυσταλλικών δομών, το οποίο θεωρούνταν άλυτο. Αλλά χάρη στις προσπάθειες του Oganov και των συναδέλφων του, κατάφεραν να έρθουν πιο κοντά σε αυτό το όνειρο και να το κάνουν πραγματικότητα.

    Γιατί είναι σημαντικό αυτό το έργο: Στο παρελθόν, νέες ουσίες παράγονταν για πολύ μεγάλο χρονικό διάστημα και με πολλή προσπάθεια.

    Artem Oganov: «Οι πειραματιστές πηγαίνουν στο εργαστήριο. Αναμείξτε διαφορετικές ουσίες σε διαφορετικές θερμοκρασίες και πιέσεις. Πάρτε νέες ουσίες. Μετρήστε τις ιδιότητες τους. Κατά κανόνα, αυτές οι ουσίες δεν παρουσιάζουν κανένα ενδιαφέρον και απορρίπτονται. Και οι πειραματιστές προσπαθούν ξανά να πάρουν μια ελαφρώς διαφορετική ουσία υπό διαφορετικές συνθήκες, με μια ελαφρώς διαφορετική σύνθεση. Και έτσι, βήμα-βήμα, ξεπερνάμε πολλές αποτυχίες, ξοδεύοντας χρόνια της ζωής μας σε αυτό. Αποδεικνύεται ότι οι ερευνητές, με την ελπίδα να αποκτήσουν ένα υλικό, ξοδεύουν τεράστιο ποσό προσπάθειας, χρόνου και χρήματος. Αυτή η διαδικασία μπορεί να διαρκέσει χρόνια. Μπορεί να αποδειχθεί αδιέξοδο και να μην οδηγήσει ποτέ στην ανακάλυψη του επιθυμητού υλικού. Αλλά ακόμα και όταν οδηγεί στην επιτυχία, αυτή η επιτυχία έχει πολύ υψηλό τίμημα».

    Ως εκ τούτου, είναι απαραίτητο να δημιουργηθεί μια τεχνολογία που θα μπορούσε να κάνει προβλέψεις χωρίς σφάλματα. Δηλαδή, να μην πειραματίζονται σε εργαστήρια, αλλά να δίνουν την αποστολή στον υπολογιστή να προβλέψει ποιο υλικό, με ποια σύσταση και θερμοκρασία, θα έχει τις επιθυμητές ιδιότητες υπό ορισμένες συνθήκες. Και ο υπολογιστής, ταξινομώντας τις πολυάριθμες επιλογές, θα είναι σε θέση να απαντήσει ποια χημική σύνθεση και ποια κρυσταλλική δομή θα πληροί τις δεδομένες απαιτήσεις. Το αποτέλεσμα μπορεί να είναι τέτοιο ώστε να μην υπάρχει το επιθυμητό υλικό. Ή είναι και όχι μόνος.
    Και εδώ προκύπτει ένα δεύτερο πρόβλημα, η λύση του οποίου δεν έχει ακόμη λυθεί: πώς να αποκτήσετε αυτό το υλικό; Δηλαδή, η χημική σύνθεση, η κρυσταλλική δομή είναι ξεκάθαρη, αλλά δεν υπάρχει ακόμα τρόπος να εφαρμοστεί, για παράδειγμα, σε βιομηχανική κλίμακα.

    Τεχνολογία Πρόβλεψης

    Το κύριο πράγμα που πρέπει να προβλέψουμε είναι η κρυσταλλική δομή. Προηγουμένως, δεν ήταν δυνατό να λυθεί αυτό το πρόβλημα, επειδή υπάρχουν πολλές επιλογές για τη διάταξη των ατόμων στο διάστημα. Όμως η συντριπτική τους πλειοψηφία δεν έχει κανένα ενδιαφέρον. Αυτό που είναι σημαντικό είναι εκείνες οι επιλογές για τη διάταξη των ατόμων στο διάστημα που είναι επαρκώς σταθερές και έχουν τις απαραίτητες ιδιότητες για τον ερευνητή.
    Ποιες είναι αυτές οι ιδιότητες: υψηλή ή χαμηλή σκληρότητα, ηλεκτρική αγωγιμότητα και θερμική αγωγιμότητα κ.λπ. Η κρυσταλλική δομή είναι σημαντική.

    «Αν σκέφτεστε, ας πούμε, τον άνθρακα, κοιτάξτε το διαμάντι και τον γραφίτη. Χημικά, είναι η ίδια ουσία. Αλλά οι ιδιότητες είναι εντελώς διαφορετικές. Μαύρο σούπερ μαλακό άνθρακα και διαφανές σούπερ σκληρό διαμάντι - τι κάνει τη διαφορά μεταξύ τους; Είναι η κρυσταλλική δομή. Χάρη σε αυτήν, η μία ουσία είναι υπερσκληρή, η άλλη είναι εξαιρετικά μαλακή. Το ένα είναι σχεδόν μεταλλικός αγωγός. Το άλλο είναι διηλεκτρικό».

    Για να μάθει κανείς πώς να προβλέπει ένα νέο υλικό, πρέπει πρώτα να μάθει πώς να προβλέπει την κρυσταλλική δομή. Για να γίνει αυτό, ο Oganov και οι συνεργάτες του πρότειναν μια εξελικτική προσέγγιση το 2006.

    «Σε αυτήν την προσέγγιση, δεν προσπαθούμε να δοκιμάσουμε ολόκληρο τον άπειρο αριθμό κρυσταλλικών δομών. Θα το δοκιμάσουμε βήμα προς βήμα, ξεκινώντας με ένα μικρό τυχαίο δείγμα, μέσα στο οποίο κατατάσσουμε πιθανές λύσεις, τις χειρότερες από τις οποίες απορρίπτουμε. Και από τα καλύτερα παράγουμε παιδικές παραλλαγές. Οι θυγατρικές παραλλαγές παράγονται από διάφορες μεταλλάξεις ή με ανασυνδυασμό - από κληρονομικότητα, όπου από δύο γονείς συνδυάζουμε διαφορετικά δομικά χαρακτηριστικά της σύνθεσης. Από αυτό, λαμβάνεται μια παιδική δομή - ένα παιδικό υλικό, μια παιδική χημική σύνθεση, μια παιδική δομή. Αυτές οι παιδικές ενώσεις στη συνέχεια αξιολογούνται επίσης. Για παράδειγμα, από τη σταθερότητα ή από τη χημική ή φυσική ιδιότητα που σας ενδιαφέρει. Και όσα κατατάχθηκαν σε δυσμενή, τα απορρίπτουμε. Εκείνοι που είναι πολλά υποσχόμενοι παίρνουν το δικαίωμα να τεκνοποιούν. Με μετάλλαξη ή κληρονομικότητα παράγουμε την επόμενη γενιά».

    Έτσι, βήμα προς βήμα, οι επιστήμονες προσεγγίζουν το βέλτιστο υλικό για αυτούς όσον αφορά μια δεδομένη φυσική ιδιότητα. Η εξελικτική προσέγγιση σε αυτή την περίπτωση λειτουργεί με τον ίδιο τρόπο όπως η δαρβινική θεωρία της εξέλιξης, αυτή η αρχή εφαρμόζεται από τον Oganov και τους συναδέλφους του σε έναν υπολογιστή όταν αναζητούν κρυσταλλικές δομές που είναι βέλτιστες όσον αφορά μια δεδομένη ιδιότητα ή σταθερότητα.

    «Μπορώ επίσης να πω (αλλά αυτό είναι ήδη λίγο στα όρια του χουλιγκανισμού) ότι όταν κάναμε την ανάπτυξη αυτής της μεθόδου (παρεμπιπτόντως, η ανάπτυξη συνεχίζεται. Έχει βελτιωθεί όλο και περισσότερο), πειραματιστήκαμε με διαφορετικά τρόπους εξέλιξης. Για παράδειγμα, προσπαθήσαμε να δημιουργήσουμε ένα παιδί όχι από δύο γονείς, αλλά από τρεις ή τέσσερις. Αποδείχθηκε ότι, όπως και στη ζωή, είναι βέλτιστο να γεννηθεί ένα παιδί από δύο γονείς. Ένα παιδί έχει δύο γονείς - πατέρα και μητέρα. Ούτε τρεις, ούτε τέσσερις, ούτε είκοσι τέσσερις. Αυτό είναι το βέλτιστο τόσο στη φύση όσο και στον υπολογιστή."

    Ο Oganov κατοχύρωσε τη μέθοδό του με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας και τώρα χρησιμοποιείται από σχεδόν χιλιάδες ερευνητές σε όλο τον κόσμο και πολλές μεγάλες εταιρείες όπως η Intel, η Toyota και η Fujitsu. Η Toyota, για παράδειγμα, είπε ο Oganov, χρησιμοποιεί αυτή τη μέθοδο εδώ και αρκετό καιρό για να εφεύρει ένα νέο υλικό για μπαταρίες λιθίου που θα χρησιμοποιούνται σε υβριδικά αυτοκίνητα.

    Πρόβλημα με διαμάντια

    Πιστεύεται ότι το διαμάντι, ως ο σκληρότερος κάτοχος ρεκόρ, είναι το βέλτιστο υπερσκληρό υλικό για όλες τις εφαρμογές. Ωστόσο, αυτό δεν είναι έτσι, γιατί στον σίδηρο, για παράδειγμα, διαλύεται, αλλά σε περιβάλλον οξυγόνου καίγεται σε υψηλή θερμοκρασία. Γενικά, η αναζήτηση ενός υλικού που θα ήταν πιο δύσκολο από το διαμάντι ανησυχούσε την ανθρωπότητα για πολλές δεκαετίες.

    «Ένας απλός υπολογισμός υπολογιστή που έγινε από την ομάδα μου δείχνει ότι τέτοιο υλικό δεν μπορεί να υπάρξει. Στην πραγματικότητα, μόνο το διαμάντι μπορεί να είναι πιο σκληρό από το διαμάντι, αλλά σε νανο-κρυσταλλική μορφή. Άλλα υλικά δεν μπορούν να νικήσουν το διαμάντι από άποψη σκληρότητας.»

    Μια άλλη κατεύθυνση της ομάδας του Oganov είναι η πρόβλεψη νέων διηλεκτρικών υλικών που θα μπορούσαν να χρησιμεύσουν ως βάση για υπερπυκνωτές για την αποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας, καθώς και για περαιτέρω σμίκρυνση μικροεπεξεργαστών υπολογιστών.
    «Αυτή η μικρογραφία στην πραγματικότητα αντιμετωπίζει εμπόδια. Επειδή τα διαθέσιμα διηλεκτρικά υλικά μπορούν να αντέξουν τα ηλεκτρικά φορτία αρκετά άσχημα. Διαρρέουν. Και η περαιτέρω σμίκρυνση είναι αδύνατη. Εάν μπορούμε να πάρουμε ένα υλικό που κολλάει στο πυρίτιο, αλλά ταυτόχρονα έχει πολύ μεγαλύτερη διηλεκτρική σταθερά από τα υλικά που έχουμε, τότε μπορούμε να λύσουμε αυτό το πρόβλημα. Και έχουμε αρκετά σοβαρή πρόοδο και προς αυτή την κατεύθυνση».

    Και το τελευταίο πράγμα που κάνει ο Oganov είναι η ανάπτυξη νέων φαρμάκων, δηλαδή η πρόβλεψή τους επίσης. Αυτό είναι δυνατό λόγω του γεγονότος ότι οι επιστήμονες έχουν μάθει να προβλέπουν τη δομή και τη χημική σύνθεση της επιφάνειας των κρυστάλλων.

    «Το γεγονός είναι ότι η επιφάνεια ενός κρυστάλλου έχει συχνά μια χημική σύνθεση που διαφέρει από την ίδια την ουσία του κρυστάλλου. Η δομή είναι επίσης πολύ συχνά ριζικά διαφορετική. Και ανακαλύψαμε ότι οι επιφάνειες απλών, φαινομενικά αδρανών κρυστάλλων οξειδίου (όπως το οξείδιο του μαγνησίου) περιέχουν πολύ ενδιαφέροντα ιόντα (όπως το ιόν υπεροξειδίου). Περιέχουν επίσης ομάδες παρόμοιες με το όζον, που αποτελούνται από τρία άτομα οξυγόνου. Αυτό εξηγεί μια εξαιρετικά ενδιαφέρουσα και σημαντική παρατήρηση. Όταν ένα άτομο εισπνέει λεπτά σωματίδια ορυκτών οξειδίων, τα οποία είναι φαινομενικά αδρανή, ασφαλή και αβλαβή, αυτά τα σωματίδια παίζουν ένα σκληρό αστείο και συμβάλλουν στην ανάπτυξη καρκίνου του πνεύμονα. Συγκεκριμένα, ο αμίαντος, ο οποίος είναι εξαιρετικά αδρανής, είναι γνωστό ότι είναι καρκινογόνος. Έτσι, στην επιφάνεια τέτοιων ορυκτών όπως ο αμίαντος και ο χαλαζίας (ειδικά ο χαλαζίας), μπορούν να σχηματιστούν ιόντα υπεροξειδίου, τα οποία παίζουν βασικό ρόλο στο σχηματισμό και την ανάπτυξη καρκίνου. Χρησιμοποιώντας την τεχνική μας, είναι επίσης δυνατό να προβλέψουμε τις συνθήκες υπό τις οποίες θα μπορούσε να αποφευχθεί ο σχηματισμός τέτοιων σωματιδίων. Δηλαδή, υπάρχει ελπίδα ακόμη και να βρεθεί μια θεραπεία και πρόληψη του καρκίνου του πνεύμονα. Σε αυτή την περίπτωση, μιλάμε μόνο για καρκίνο του πνεύμονα. Και με έναν εντελώς απροσδόκητο τρόπο, τα αποτελέσματα της έρευνάς μας κατέστησαν δυνατή την κατανόηση, και ίσως ακόμη και την πρόληψη ή τη θεραπεία του καρκίνου του πνεύμονα».

    Συνοψίζοντας, η πρόβλεψη των κρυσταλλικών δομών μπορεί να διαδραματίσει βασικό ρόλο στο σχεδιασμό υλικών τόσο για τη μικροηλεκτρονική όσο και για τα φαρμακευτικά προϊόντα. Γενικά, μια τέτοια τεχνολογία ανοίγει έναν νέο δρόμο στην τεχνολογία του μέλλοντος, είναι σίγουρος ο Oganov.

    Μπορείτε να διαβάσετε για άλλους τομείς του εργαστηρίου του Artem στον σύνδεσμο και να διαβάσετε το βιβλίο του Σύγχρονες Μέθοδοι Πρόβλεψης Κρυσταλλικής Δομής

    - Ας ασχοληθούμε με τον υπολογιστικό σχεδιασμό νέων υλικών. Πρώτον, τι είναι; Τομέας γνώσης; Πότε εμφανίζεται η ιδέα και αυτή η προσέγγιση;

    — Η περιοχή είναι αρκετά νέα, είναι μόλις λίγα χρόνια παλιά. Από μόνο του, ο σχεδιασμός νέων υλικών με τη βοήθεια υπολογιστή ήταν το όνειρο των ερευνητών, των τεχνολόγων και των θεμελιωδών επιστημόνων για πολλές δεκαετίες. Γιατί η διαδικασία ανακάλυψης ενός νέου υλικού με τις ιδιότητες που χρειάζεστε συνήθως απαιτεί πολλά χρόνια ή και δεκαετίες δουλειάς ολόκληρων ινστιτούτων και εργαστηρίων. Αυτή είναι μια πολύ δαπανηρή διαδικασία, στο τέλος της οποίας μπορεί να απογοητευτείτε. Δηλαδή, δεν είσαι πάντα σε θέση να εφεύρεις τέτοιο υλικό. Αλλά ακόμα και όταν πετυχαίνεις, η επιτυχία μπορεί να πάρει πολλά χρόνια δουλειάς. Αυτό δεν μας ταιριάζει καθόλου τώρα, θέλουμε να εφεύρουμε νέα υλικά, νέες τεχνολογίες όσο το δυνατόν γρηγορότερα.

    - Μπορείτε να δώσετε ένα παράδειγμα τέτοιου υλικού που δεν μπορεί ή δεν θα μπορούσε να εφευρεθεί;

    - Ναι σίγουρα. Για παράδειγμα, για πολλές δεκαετίες οι άνθρωποι προσπαθούσαν να βρουν ένα υλικό πιο σκληρό από το διαμάντι. Έχουν υπάρξει εκατοντάδες δημοσιεύσεις για αυτό το θέμα. Σε ορισμένα από αυτά, οι άνθρωποι ισχυρίστηκαν ότι βρήκαν ένα υλικό πιο σκληρό από το διαμάντι, αλλά στη συνέχεια αναπόφευκτα, μετά από κάποιο χρονικό διάστημα (συνήθως όχι πολύ καιρό), αυτοί οι ισχυρισμοί διαψεύστηκαν και αποδείχθηκε ότι αυτό ήταν μια ψευδαίσθηση. Μέχρι στιγμής δεν έχει βρεθεί τέτοιο υλικό και είναι ξεκάθαρο γιατί. Με τη βοήθεια των μεθόδων μας, μπορέσαμε να δείξουμε ότι αυτό είναι ουσιαστικά αδύνατο, επομένως δεν υπάρχει χρόνος για χάσιμο.

    - Και αν προσπαθήσετε απλώς να εξηγήσετε γιατί όχι;

    - Μια ιδιότητα όπως η σκληρότητα έχει ένα πεπερασμένο όριο για κάθε δεδομένο υλικό. Εάν πάρουμε όλα τα υλικά που είναι δυνατόν να ληφθούν, τότε αποδεικνύεται ότι υπάρχει ένα ορισμένο παγκόσμιο ανώτερο όριο. Τυχαίνει αυτό το ανώτερο όριο να αντιστοιχεί σε ένα διαμάντι. Γιατί ένα διαμάντι; Επειδή σε αυτή τη δομή πληρούνται ταυτόχρονα πολλές προϋποθέσεις: πολύ ισχυροί χημικοί δεσμοί, πολύ υψηλή πυκνότητα αυτών των χημικών δεσμών και είναι ομοιόμορφα κατανεμημένοι στο διάστημα. Δεν υπάρχει μια κατεύθυνση που να είναι πολύ πιο σκληρή από την άλλη, είναι μια πολύ σκληρή ουσία προς όλες τις κατευθύνσεις. Ο ίδιος γραφίτης, για παράδειγμα, έχει ισχυρότερους δεσμούς από το διαμάντι, αλλά όλοι αυτοί οι δεσμοί βρίσκονται στο ίδιο επίπεδο και πολύ αδύναμοι δεσμοί αλληλεπιδρούν μεταξύ των επιπέδων, και αυτή η ασθενής κατεύθυνση κάνει ολόκληρο τον κρύσταλλο μαλακό.

    - Πώς αναπτύχθηκε η μέθοδος και πώς προσπάθησαν οι επιστήμονες να τη βελτιώσουν;

    - Ο μεγάλος Έντισον είπε, κατά τη γνώμη μου, σε σχέση με την εφεύρεση του λαμπτήρα πυρακτώσεως: «Δεν απέτυχα δέκα χιλιάδες φορές, αλλά βρήκα μόνο δέκα χιλιάδες τρόπους που δεν λειτουργούν». Αυτό είναι το παραδοσιακό στυλ αναζήτησης νέων υλικών, το οποίο στην επιστημονική βιβλιογραφία ονομάζεται Edisonian. Και, φυσικά, οι άνθρωποι πάντα ήθελαν να απομακρυνθούν από αυτή τη μέθοδο, γιατί απαιτεί μια σπάνια Εντισονική τύχη και Εντισονική υπομονή. Και πολύς χρόνος αλλά και χρήμα. Αυτή η μέθοδος δεν είναι πολύ επιστημονική, είναι μάλλον ένα επιστημονικό «poke». Και οι άνθρωποι πάντα ήθελαν να ξεφύγουν από αυτό. Όταν εμφανίστηκαν οι υπολογιστές και άρχισαν να λύνουν περισσότερο ή λιγότερο πολύπλοκα προβλήματα, προέκυψε αμέσως το ερώτημα: «Μπορούν όλοι αυτοί οι συνδυασμοί διαφορετικών συνθηκών, θερμοκρασιών, πιέσεων, χημικών δυνατοτήτων, χημικής σύνθεσης να ταξινομηθούν σε έναν υπολογιστή αντί να το κάνουν σε εργαστήριο; ;" Οι προσδοκίες ήταν πολύ υψηλές στην αρχή. Ο κόσμος το κοίταξε λίγο αισιόδοξος και ευφορικός, αλλά σύντομα όλα αυτά τα όνειρα γκρεμίστηκαν στην καθημερινή ζωή. Με τις μεθόδους με τις οποίες οι άνθρωποι προσπάθησαν να λύσουν το πρόβλημα, τίποτα δεν μπορεί να επιτευχθεί κατ' αρχήν.

    - Γιατί?

    «Επειδή υπάρχουν άπειρες επιλογές για διαφορετικές διευθετήσεις ατόμων στη δομή ενός κρυστάλλου και καθένα από αυτά θα έχει εντελώς διαφορετικές ιδιότητες. Για παράδειγμα, το διαμάντι και ο γραφίτης είναι η ίδια ουσία, και λόγω του γεγονότος ότι η δομή είναι διαφορετική, οι ιδιότητές τους είναι ριζικά διαφορετικές. Έτσι, μπορεί να υπάρχει ένας άπειρος αριθμός διαφορετικών επιλογών που διαφέρουν τόσο από το διαμάντι όσο και από τον γραφίτη. Με τι θα ξεκινήσετε; Πού θα σταματήσετε; Πόσο θα κρατήσει? Και αν εισάγετε επίσης μια μεταβλητή χημικής σύνθεσης, τότε μπορείτε επίσης να καταλήξετε σε έναν άπειρο αριθμό διαφορετικών χημικών συνθέσεων και το έργο γίνεται αφόρητα δύσκολο. Πολύ γρήγορα, οι άνθρωποι συνειδητοποίησαν ότι οι παραδοσιακές, τυπικές μέθοδοι για την επίλυση αυτού του προβλήματος δεν οδηγούν σε απολύτως τίποτα. Αυτή η απαισιοδοξία έθαψε εντελώς τις πρώτες ελπίδες που οι άνθρωποι είχαν λατρέψει από τη δεκαετία του '60.

    — Ο σχεδιασμός του υπολογιστή εξακολουθεί να συλλαμβάνεται ή τουλάχιστον να γίνεται αισθητός ως οπτικό πράγμα. Όπως καταλαβαίνω, στις δεκαετίες του '60, του '70 ή του '80, αυτή δεν είναι ακόμα οπτική λύση, αλλά μαθηματική, δηλαδή είναι πιο γρήγορος υπολογισμός, υπολογισμός.

    - Όπως καταλαβαίνετε, όταν λαμβάνετε αριθμούς σε έναν υπολογιστή, μπορείτε πάντα να τους οπτικοποιήσετε, αλλά αυτό δεν είναι το μόνο πράγμα.

    - Γενικά, είναι μόνο θέμα ετοιμότητας της τεχνολογίας να το κάνει αυτό.

    - Ναί. Η αριθμητική μέτρηση είναι πρωταρχική, επειδή μπορείτε πάντα να δημιουργήσετε μια εικόνα από αριθμούς, και πιθανότατα μπορείτε επίσης να δημιουργήσετε αριθμούς από μια εικόνα, αν και όχι πολύ ακριβείς. Υπήρξαν μια σειρά από διάσημες εκδόσεις από τα μέσα της δεκαετίας του '80 έως τα μέσα της δεκαετίας του '90, που τελικά ενστάλαξαν την απαισιοδοξία στον τομέα μας. Για παράδειγμα, υπήρχε μια υπέροχη δημοσίευση που έλεγε ότι ακόμη και τέτοιες απλές ουσίες όπως ο γραφίτης ή ο πάγος είναι απολύτως αδύνατο να προβλεφθούν. Ή υπήρχε ένα άρθρο με το όνομα "Είναι οι κρυσταλλικές δομές προβλέψιμες" και η πρώτη λέξη αυτού του άρθρου ήταν "όχι".

    Τι σημαίνει «προβλέψιμο»;


    — Το έργο της πρόβλεψης της κρυσταλλικής δομής είναι ο πυρήνας ολόκληρου του πεδίου σχεδιασμού νέων υλικών. Εφόσον η δομή καθορίζει τις ιδιότητες μιας ουσίας, για να προβλέψει κανείς μια ουσία με τις επιθυμητές ιδιότητες, πρέπει να προβλέψει τη σύνθεση και τη δομή. Το πρόβλημα της πρόβλεψης της κρυσταλλικής δομής μπορεί να διατυπωθεί ως εξής: ας υποθέσουμε ότι έχουμε δώσει τη χημική σύνθεση, ας υποθέσουμε ότι είναι σταθερή, για παράδειγμα, άνθρακας. Ποια θα είναι η πιο σταθερή μορφή άνθρακα υπό δεδομένες συνθήκες; Υπό κανονικές συνθήκες, γνωρίζουμε την απάντηση - θα είναι γραφίτης. σε υψηλές πιέσεις, γνωρίζουμε επίσης την απάντηση - είναι ένα διαμάντι. Αλλά η δημιουργία ενός αλγορίθμου που θα μπορούσε να σας προσφέρει αποδεικνύεται πολύ δύσκολο έργο. Ή μπορείτε να διατυπώσετε το πρόβλημα με διαφορετικό τρόπο. Για παράδειγμα, για τον ίδιο άνθρακα: ποια θα ήταν η πιο σκληρή δομή που αντιστοιχεί σε αυτή τη χημική σύνθεση; Αποδεικνύεται ένα διαμάντι. Τώρα ας κάνουμε μια άλλη ερώτηση: ποιο θα είναι το πιο πυκνό; Φαίνεται ότι είναι και διαμάντι, αλλά όχι. Αποδεικνύεται ότι μια μορφή άνθρακα πιο πυκνή από το διαμάντι μπορεί να εφευρεθεί, τουλάχιστον σε έναν υπολογιστή, και κατ 'αρχήν μπορεί να συντεθεί. Επιπλέον, υπάρχουν πολλές τέτοιες υποθετικές μορφές.

    - Ακόμα και έτσι?

    - Ακόμα και έτσι. Αλλά τίποτα δεν είναι πιο δύσκολο από ένα διαμάντι. Οι άνθρωποι έχουν μάθει να λαμβάνουν απαντήσεις σε τέτοιες ερωτήσεις πολύ πρόσφατα. Πιο πρόσφατα, εμφανίστηκαν αλγόριθμοι, εμφανίστηκαν προγράμματα που μπορούν να το κάνουν αυτό. Στην περίπτωση αυτή, στην πραγματικότητα, όλος αυτός ο τομέας της έρευνας αποδείχθηκε ότι συνδέεται με το έργο μας το 2006. Μετά από αυτό, πολλοί άλλοι ερευνητές άρχισαν επίσης να ασχολούνται με αυτό το πρόβλημα. Γενικά, ακόμα δεν χάνουμε την παλάμη και βρίσκουμε όλο και περισσότερες μεθόδους, νέα και νέα υλικά.

    - "Ποιοι είμαστε?

    — Αυτός είμαι εγώ και οι μαθητές μου, μεταπτυχιακοί φοιτητές και ερευνητές.

    — Για να το καταστήσω σαφές, επειδή το «εμείς» είναι τόσο πολυσηματικό, στην προκειμένη περίπτωση πολυσημαντικό, μπορεί να γίνει αντιληπτό με διαφορετικούς τρόπους. Τι είναι τόσο επαναστατικό;

    — Γεγονός είναι ότι οι άνθρωποι έχουν συνειδητοποιήσει ότι αυτή η εργασία σχετίζεται με ένα απείρως πολύπλοκο συνδυαστικό πρόβλημα, δηλαδή, ο αριθμός των επιλογών μεταξύ των οποίων πρέπει να επιλέξετε την καλύτερη είναι άπειρος. Πώς μπορεί να λυθεί αυτό το πρόβλημα; Με τιποτα. Μπορείς απλά να μην την πλησιάσεις και να νιώσεις άνετα. Αλλά βρήκαμε έναν τρόπο που αυτό το πρόβλημα μπορεί να λυθεί αρκετά αποτελεσματικά - έναν τρόπο που βασίζεται στην εξέλιξη. Αυτή, θα έλεγε κανείς, είναι μια μέθοδος διαδοχικών προσεγγίσεων, όταν από αρχικά αδύναμες λύσεις με τη μέθοδο της διαδοχικής βελτίωσης φτάνουμε σε όλο και πιο τέλειες λύσεις. Μπορούμε να πούμε ότι πρόκειται για μέθοδο τεχνητής νοημοσύνης. Η τεχνητή νοημοσύνη, που κάνει πολλές υποθέσεις, απορρίπτει μερικές από αυτές και κατασκευάζει ακόμα πιο ενδιαφέρουσες από τις πιο αληθοφανείς, πιο ενδιαφέρουσες δομές και συνθέσεις. Δηλαδή μαθαίνει από τη δική του ιστορία, γι' αυτό και μπορεί να ονομαστεί τεχνητή νοημοσύνη.

    - Θα ήθελα να καταλάβω πώς επινοείτε, εφευρίσκετε νέα υλικά σε ένα συγκεκριμένο παράδειγμα.

    — Ας προσπαθήσουμε να το περιγράψουμε στο παράδειγμα του ίδιου άνθρακα. Θέλετε να προβλέψετε ποια μορφή άνθρακα είναι η πιο σκληρή. Καθορίζεται ένας μικρός αριθμός τυχαίων δομών άνθρακα. Ορισμένες δομές θα αποτελούνται από διακριτά μόρια, όπως τα φουλερένια. Μερικές δομές θα αποτελούνται από στρώματα, όπως ο γραφίτης. Κάποιες θα αποτελούνται από αλυσίδες άνθρακα, τις λεγόμενες καραμπίνες. μερικά θα συνδέονται τρισδιάστατα, όπως ένα διαμάντι (αλλά όχι μόνο ένα διαμάντι, υπάρχει ένας άπειρος αριθμός τέτοιων δομών). Πρώτα δημιουργείτε τυχαία αυτού του είδους τις δομές, μετά κάνετε τοπική βελτιστοποίηση ή αυτό που ονομάζουμε "χαλάρωση". Δηλαδή, μετακινείτε τα άτομα μέχρι να μηδενιστεί η δύναμη που προκύπτει στο άτομο, μέχρι να εξαφανιστούν όλες οι τάσεις στη δομή, έως ότου εισέλθει στην ιδανική του μορφή ή να πάρει το καλύτερο τοπικό του σχήμα. Και για αυτή τη δομή, υπολογίζετε ιδιότητες, όπως η σκληρότητα. Ας δούμε τη σκληρότητα των φουλερενίων. Υπάρχουν ισχυροί δεσμοί, αλλά μόνο μέσα στο μόριο. Τα ίδια τα μόρια διασυνδέονται πολύ ασθενώς, λόγω αυτού, η σκληρότητα είναι σχεδόν μηδενική. Κοιτάξτε τον γραφίτη - η ίδια ιστορία: ισχυροί δεσμοί μέσα στο στρώμα, αδύναμοι μεταξύ των στρωμάτων, και ως αποτέλεσμα, η ουσία αποσυντίθεται πολύ εύκολα, η σκληρότητά της θα είναι πολύ μικρή. Ουσίες όπως φουλερένια ή καραμπίνες ή γραφίτης θα είναι πολύ μαλακές και τις απορρίπτουμε αμέσως. Οι υπόλοιπες δομές άνθρακα συνδέονται τρισδιάστατα, έχουν ισχυρούς δεσμούς και στις τρεις διαστάσεις, από αυτές τις δομές επιλέγουμε τις πιο στέρεες και τους δίνουμε την ευκαιρία να παράγουν θυγατρικές δομές. Πως μοιάζει? Παίρνουμε μια κατασκευή, παίρνουμε μια άλλη κατασκευή, κόβουμε τα κομμάτια τους, τα συναρμολογούμε, όπως σε έναν κατασκευαστή, και πάλι χαλαρώνουμε, δηλαδή δίνουμε την ευκαιρία να φύγουν όλες οι πιέσεις. Υπάρχουν μεταλλάξεις - αυτός είναι ένας άλλος τρόπος για την παραγωγή απογόνων από τους γονείς. Παίρνουμε μια από τις πιο συμπαγείς δομές και τη μεταλλάσσουμε, για παράδειγμα, εφαρμόζουμε μια τεράστια διατμητική τάση ώστε κάποιοι δεσμοί απλά να σκάσουν εκεί, ενώ άλλοι, νέοι, να σχηματιστούν. Ή μετατοπίζουμε τα άτομα στις πιο αδύναμες κατευθύνσεις της δομής για να αφαιρέσουμε αυτή την αδυναμία από το σύστημα. Χαλαρώνουμε όλες τις κατασκευές που παράγονται με αυτόν τον τρόπο, αφαιρούμε δηλαδή τις εσωτερικές πιέσεις και μετά αξιολογούμε ξανά τις ιδιότητες. Συμβαίνει ότι πήραμε μια συμπαγή δομή, τη μεταλλάξαμε και έγινε μαλακή, μετατράπηκε, ας πούμε, σε γραφίτη. Αφαιρούμε αυτή τη δομή αμέσως. Και από αυτά που είναι συμπαγή, πάλι βγάζουμε «παιδιά». Και έτσι επαναλαμβάνουμε βήμα-βήμα, γενιά με γενιά. Και αρκετά γρήγορα φτάνουμε στο διαμάντι.

    - Ταυτόχρονα, οι στιγμές που απορρίπτουμε, συγκρίνουμε, συνδέουμε και αλλάζουμε τη δομή, κάνουμε τεχνητή νοημοσύνη, κάνουμε το πρόγραμμα; Δεν είναι άνθρωπος;

    - Το πρόγραμμα το κάνει. Αν το κάναμε αυτό, θα καταλήγαμε στο Kashchenko, γιατί πρόκειται για έναν τεράστιο αριθμό επεμβάσεων που δεν χρειάζεται να κάνει ένας άνθρωπος και για απολύτως επιστημονικούς λόγους. Καταλαβαίνετε, ένας άνθρωπος γεννιέται, απορροφά την εμπειρία από τον περιβάλλοντα κόσμο και με αυτήν την εμπειρία έρχεται ένα είδος προκατάληψης. Βλέπουμε μια συμμετρική δομή - λέμε: "Αυτό είναι καλό". βλέπουμε ασύμμετρο - λέμε: "Αυτό είναι κακό." Αλλά για τη φύση, μερικές φορές ισχύει το αντίθετο. Η μέθοδός μας πρέπει να είναι απαλλαγμένη από ανθρώπινη υποκειμενικότητα και προκατάληψη.

    - Καταλαβαίνω σωστά από αυτά που περιγράψατε ότι, κατ' αρχήν, αυτό το καθήκον δεν διατυπώνεται τόσο από τη θεμελιώδη επιστήμη όσο από την επίλυση πολύ συγκεκριμένων εργασιών που έχει θέσει κάποια κανονική διεθνική εταιρεία; Εδώ χρειαζόμαστε νέο τσιμέντο για να είναι πιο παχύρρευστο, πιο πυκνό ή, αντίθετα, πιο υγρό κ.ο.κ.

    - Καθόλου. Στην πραγματικότητα, προέρχομαι από τις θεμελιώδεις επιστήμες στην εκπαίδευσή μου, σπούδασα θεμελιώδεις επιστήμες, όχι εφαρμοσμένες επιστήμες. Με ενδιαφέρει πλέον να λύνω εφαρμοσμένα προβλήματα, ειδικά αφού η μεθοδολογία που επινόησα είναι εφαρμόσιμη στα πιο σημαντικά εφαρμοσμένα προβλήματα ενός πολύ μεγάλου εύρους. Αλλά αρχικά αυτή η μέθοδος επινοήθηκε για την επίλυση θεμελιωδών προβλημάτων.

    - Τι είδους?

    — Σπουδάζω εδώ και πολύ καιρό φυσική και χημεία υψηλής πίεσης. Αυτή είναι μια περιοχή στην οποία έχουν γίνει πολλές ενδιαφέρουσες ανακαλύψεις πειραματικά. Όμως τα πειράματα είναι πολύπλοκα και πολύ συχνά τα πειραματικά αποτελέσματα αποδεικνύονται λανθασμένα με την πάροδο του χρόνου. Τα πειράματα είναι ακριβά και χρονοβόρα.

    - Δώσε ένα παράδειγμα.

    - Για παράδειγμα, για πολύ καιρό υπήρχε μια κούρσα μεταξύ Σοβιετικών και Αμερικανών επιστημόνων: ποιος θα πάρει το πρώτο μεταλλικό υδρογόνο υπό πίεση. Στη συνέχεια, αποδείχθηκε, για παράδειγμα, ότι πολλά απλά στοιχεία υπό πίεση γίνονται (αυτός είναι ένας τέτοιος αλχημικός μετασχηματισμός) ένα μέταλλο μετάπτωσης. Για παράδειγμα, παίρνετε κάλιο: το κάλιο έχει μόνο ένα ηλεκτρόνιο s στο κέλυφος σθένους, και έτσι υπό πίεση γίνεται στοιχείο d. Το s-τροχιακό αδειάζει και το μη κατειλημμένο d-τροχιακό κατοικείται από αυτό το μοναδικό ηλεκτρόνιο. Και αυτό είναι πολύ σημαντικό, γιατί το κάλιο, που γίνεται μεταβατικό μέταλλο, έχει στη συνέχεια την ευκαιρία να εισέλθει, για παράδειγμα, στον υγρό σίδηρο. Γιατί είναι σημαντικό? Γιατί τώρα πιστεύουμε ότι το κάλιο σε μικρές ποσότητες είναι μέρος του πυρήνα της Γης και είναι πηγή θερμότητας εκεί. Το γεγονός είναι ότι ένα από τα ισότοπα του καλίου (ραδιενεργό κάλιο-40) είναι ένας από τους κύριους παραγωγούς θερμότητας στη Γη σήμερα. Εάν το κάλιο δεν περιλαμβάνεται στον πυρήνα της Γης, τότε πρέπει να αλλάξουμε εντελώς την κατανόησή μας για την ηλικία της ζωής στη Γη, την ηλικία του μαγνητικού πεδίου, την ιστορία του πυρήνα της Γης και πολλά άλλα ενδιαφέροντα πράγματα. Εδώ είναι ένας αλχημικός μετασχηματισμός - τα στοιχεία s γίνονται d-στοιχεία. Σε υψηλές πιέσεις, όταν συμπιέζετε την ύλη, η ενέργεια που ξοδεύετε για τη συμπίεση αργά ή γρήγορα θα υπερβεί την ενέργεια των χημικών δεσμών και την ενέργεια των διατροχιακών μεταπτώσεων στα άτομα. Και χάρη σε αυτό, μπορείτε να αλλάξετε ριζικά την ηλεκτρονική δομή του ατόμου και τον τύπο του χημικού δεσμού στην ουσία σας. Μπορούν να προκύψουν εντελώς νέοι τύποι ουσιών. Και η τυπική χημική διαίσθηση δεν λειτουργεί σε τέτοιες περιπτώσεις, δηλαδή οι κανόνες που μαθαίνουμε από τον σχολικό πάγκο στα μαθήματα χημείας, πετάνε στην κόλαση όταν η πίεση φτάνει σε αρκετά μεγάλες τιμές. Μπορώ να σας πω τι είδους πράγματα έχουν προβλεφθεί από τη μέθοδό μας και στη συνέχεια έχουν αποδειχθεί πειραματικά. Όταν εμφανίστηκε αυτή η μέθοδος, έγινε σοκ για όλους. Ένα από τα πιο ενδιαφέροντα έργα είχε σχέση με το στοιχείο νάτριο. Προβλέψαμε ότι εάν συμπιέσουμε το νάτριο σε πίεση περίπου 2 εκατομμυρίων ατμοσφαιρών (παρεμπιπτόντως, η πίεση στο κέντρο της Γης είναι σχεδόν 4 εκατομμύρια ατμόσφαιρες και τέτοιες πιέσεις μπορούν να ληφθούν πειραματικά), δεν θα είναι πλέον μέταλλο , αλλά ένα διηλεκτρικό, εξάλλου, διάφανα και κόκκινα χρώματα. Όταν κάναμε αυτή την πρόβλεψη, κανείς δεν μας πίστεψε. Το περιοδικό Nature, στο οποίο στείλαμε αυτά τα αποτελέσματα, αρνήθηκε ακόμη και να εξετάσει αυτό το άρθρο, είπαν ότι ήταν αδύνατο να το πιστέψουμε. Επικοινώνησα με τους πειραματιστές από την ομάδα του Mikhail Yeremets, οι οποίοι μου είπαν επίσης ότι ήταν αδύνατο να το πιστέψω σε αυτό, αλλά από σεβασμό θα προσπαθούσαν ακόμα να πραγματοποιήσουν ένα τέτοιο πείραμα. Και αυτό το πείραμα επιβεβαίωσε πλήρως τις προβλέψεις μας. Η δομή της νέας φάσης του στοιχείου βόριο είχε προβλεφθεί - η πιο σκληρή δομή για αυτό το στοιχείο, μια από τις πιο σκληρές ουσίες που γνωρίζει η ανθρωπότητα. Και εκεί αποδείχθηκε ότι διαφορετικά άτομα βορίου έχουν διαφορετικό ηλεκτρικό φορτίο, δηλαδή ξαφνικά γίνονται διαφορετικά: μερικά είναι θετικά φορτισμένα, άλλα αρνητικά. Αυτό το άρθρο έχει αναφερθεί σχεδόν 200 φορές μέσα σε μόλις τρία χρόνια.

    Είπατε ότι αυτό είναι ένα θεμελιώδες καθήκον. Ή μήπως λύνετε πρωτίστως θεμελιώδη προβλήματα και μόλις πρόσφατα κάποια πρακτικά ζητήματα; Ιστορία του νατρίου. Για τι? Δηλαδή, καθόσουν και κάθισες και σκέφτηκες τι να πάρεις - θα πάρω νάτριο, ίσως, και θα το συμπιέσω σε 2 εκατομμύρια ατμόσφαιρες;

    - Όχι σίγουρα με αυτόν τον τρόπο. Έλαβα επιχορήγηση για να μελετήσω τη συμπεριφορά των στοιχείων υπό υψηλή πίεση προκειμένου να κατανοήσω καλύτερα τη χημεία των στοιχείων. Τα πειραματικά δεδομένα υπό υψηλή πίεση εξακολουθούν να είναι πολύ αποσπασματικά και αποφασίσαμε να περάσουμε λίγο-πολύ ολόκληρο τον Περιοδικό Πίνακα για να κατανοήσουμε πώς αλλάζουν τα στοιχεία και η χημεία τους υπό πίεση. Έχουμε δημοσιεύσει μια σειρά από εργασίες, ειδικότερα, σχετικά με τη φύση της υπεραγωγιμότητας στο οξυγόνο υπό πίεση, καθώς το οξυγόνο υπό πίεση γίνεται υπεραγωγός. Για μια σειρά από άλλα στοιχεία: αλκαλικά στοιχεία ή στοιχεία αλκαλικής γαίας και ούτω καθεξής. Αλλά το πιο ενδιαφέρον, πιθανώς, ήταν η ανακάλυψη νέων φαινομένων στο νάτριο και το βόριο. Αυτά ήταν ίσως τα δύο στοιχεία που μας εξέπληξαν περισσότερο. Έτσι ξεκινήσαμε. Και τώρα προχωρήσαμε στην επίλυση πρακτικών προβλημάτων, συνεργαζόμαστε με εταιρείες όπως η Intel, η Samsung, η Fujitsu, η Toyota, η Sony. Η Toyota, απ' όσο γνωρίζω, πρόσφατα εφηύρε ένα νέο υλικό για μπαταρίες λιθίου χρησιμοποιώντας τη μέθοδό μας και πρόκειται να διαθέσει αυτό το υλικό στην αγορά.

    - Πήραν τη μέθοδό σου, πήραν την τεχνολογία αναζήτησης υλικών, αλλά όχι εσύ;

    - Ναι σίγουρα. Δεν επιβάλλουμε τον εαυτό μας στο φορτίο, αλλά προσπαθούμε να βοηθήσουμε όλους τους ερευνητές. Το πρόγραμμά μας είναι διαθέσιμο σε όποιον θέλει να το χρησιμοποιήσει. Οι εταιρείες πρέπει να πληρώσουν κάτι για το δικαίωμα χρήσης του προγράμματος. Και οι επιστήμονες που εργάζονται στον ακαδημαϊκό χώρο το λαμβάνουν δωρεάν κατεβάζοντας το απλώς από τον ιστότοπό μας. Το πρόγραμμά μας έχει ήδη σχεδόν 2 χιλιάδες χρήστες σε όλο τον κόσμο. Και χαίρομαι πολύ όταν βλέπω ότι οι χρήστες μας πετυχαίνουν κάτι καλό. Εγώ, η ομάδα μου, έχω περισσότερες από αρκετές δικές μου ανακαλύψεις, δικά μου έργα, δικές μου ιδέες. Όταν βλέπουμε το ίδιο πράγμα σε άλλες ομάδες, μόνο ευχαριστεί.

    Το υλικό προετοιμάστηκε με βάση το ραδιοφωνικό πρόγραμμα "PostNauka" στη ραδιοφωνική υπηρεσία Ρωσικών Ειδήσεων.

    Δημοσιεύουμε το κείμενο μιας διάλεξης που έδωσε ένας καθηγητής στο Κρατικό Πανεπιστήμιο της Νέας Υόρκης, ένας αναπληρωτής καθηγητής στο Κρατικό Πανεπιστήμιο της Μόσχας, ένας επίτιμος καθηγητής στο Πανεπιστήμιο GuilinArtem Ογκάνοφ 8 Σεπτέμβριος 2012 ως μέρος της σειράς Δημοσίων Διαλέξεων Polit.ru στο Open Air Book Festival BookMarket στο πάρκο τεχνών «Museon».

    "Οι δημόσιες διαλέξεις "Polit.ru"" πραγματοποιούνται με την υποστήριξη:

    Κείμενο διάλεξης

    Είμαι πολύ ευγνώμων στους διοργανωτές αυτού του φεστιβάλ και στο Polit.ru για την πρόσκληση. Είναι μεγάλη τιμή για μένα που δίνω αυτή τη διάλεξη. Ελπίζω να σας ενδιαφέρει.

    Η διάλεξη σχετίζεται άμεσα με το μέλλον μας, γιατί το μέλλον μας είναι αδύνατο χωρίς νέες τεχνολογίες, τεχνολογίες που σχετίζονται με την ποιότητα της ζωής μας, εδώ είναι το iPad, εδώ είναι ο προβολέας μας, όλα τα ηλεκτρονικά μας, τεχνολογίες εξοικονόμησης ενέργειας, τεχνολογίες που χρησιμοποιούνται για καθαρίστε το περιβάλλον, τεχνολογίες που χρησιμοποιούνται στην ιατρική και ούτω καθεξής - όλα αυτά εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από νέα υλικά, οι νέες τεχνολογίες απαιτούν νέα υλικά, υλικά με μοναδικές, ιδιαίτερες ιδιότητες. Και για το πώς αυτά τα νέα υλικά μπορούν να αναπτυχθούν όχι στο εργαστήριο, αλλά σε έναν υπολογιστή, η ιστορία θα πάει.

    Η διάλεξη ονομάζεται: «Σχεδιασμός νέων υλικών από υπολογιστή: όνειρο ή πραγματικότητα;». Αν ήταν απλώς ένα όνειρο, τότε η διάλεξη δεν θα είχε νόημα. Τα όνειρα είναι κάτι, κατά κανόνα, όχι από τη σφαίρα της πραγματικότητας. Από την άλλη, αν αυτό είχε ήδη γίνει πλήρως αντιληπτό, η διάλεξη επίσης δεν θα είχε νόημα, γιατί ένα νέο είδος μεθοδολογιών, συμπεριλαμβανομένων των θεωρητικών υπολογιστικών, όταν έχουν ήδη αναπτυχθεί πλήρως, μετακινούνται από την κατηγορία της επιστήμης στην κατηγορία των βιομηχανικές εργασίες ρουτίνας. Στην πραγματικότητα, αυτός ο τομέας είναι εντελώς νέος: ο σχεδιασμός νέων υλικών με τη βοήθεια υπολογιστή βρίσκεται κάπου στη μέση μεταξύ ενός ονείρου - αυτό που είναι αδύνατο, αυτό που ονειρευόμαστε στον ελεύθερο χρόνο μας - και της πραγματικότητας, δεν έχει ακόμη ολοκληρωθεί πλήρως. είναι ένας τομέας που αναπτύσσεται αυτή τη στιγμή. Και αυτός ο τομέας θα επιτρέψει στο εγγύς μέλλον να υποχωρήσουμε από την παραδοσιακή μέθοδο ανακάλυψης νέων υλικών, εργαστηρίου και να ξεκινήσουμε τον σχεδιασμό υλικών με τη βοήθεια υπολογιστή, που θα ήταν και φθηνότεροι και ταχύτεροι και από πολλές απόψεις ακόμη πιο αξιόπιστοι. Και εδώ είναι πώς να το κάνετε, θα σας πω. Αυτό σχετίζεται άμεσα με το πρόβλημα της πρόβλεψης, την πρόβλεψη της δομής μιας ουσίας, γιατί η δομή μιας ουσίας καθορίζει τις ιδιότητές της. Η διαφορετική δομή της ίδιας ουσίας, ας πούμε, του άνθρακα, ορίζει το υπερσκληρό διαμάντι και τον υπερμαλακό γραφίτη. Η δομή σε αυτή την περίπτωση είναι το παν. Η δομή της ύλης.

    Γενικά, φέτος γιορτάζουμε τα εκατό χρόνια από τα πρώτα πειράματα που κατέστησαν δυνατή την ανακάλυψη της δομής της ύλης. Πριν από πολύ καιρό, από την αρχαιότητα, οι άνθρωποι διατύπωσαν υποθέσεις ότι η ύλη αποτελείται από άτομα. Μια αναφορά σε αυτό μπορεί να βρεθεί, για παράδειγμα, στη Βίβλο, σε διάφορα ινδικά έπη, και αρκετά λεπτομερείς αναφορές σε αυτό μπορούν να φανούν στον Δημόκριτο και τον Λουκρήτιο Κάρα. Και η πρώτη αναφορά για το πώς είναι διατεταγμένη η ύλη, πώς αυτή η ουσία αποτελείται από αυτά τα διακριτά σωματίδια, άτομα, ανήκει στον Johannes Kepler, τον μεγάλο μαθηματικό, αστρονόμο και ακόμη και αστρολόγο - εκείνη την εποχή η αστρολογία θεωρούνταν ακόμα επιστήμη, δυστυχώς. Ο Κέπλερ σχεδίασε τις πρώτες εικόνες στις οποίες εξήγησε το εξαγωνικό σχήμα των νιφάδων χιονιού και η δομή του πάγου που πρότεινε ο Κέπλερ, αν και διαφορετική από την πραγματικότητα, είναι παρόμοια από πολλές απόψεις. Όμως, παρόλα αυτά, η υπόθεση της ατομικής δομής της ύλης παρέμεινε υπόθεση μέχρι τον 20ο αιώνα, μέχρι που πριν από εκατό χρόνια για πρώτη φορά αυτή η υπόθεση αποδείχθηκε επιστημονικά. Αποδείχθηκε με τη βοήθεια της επιστήμης μου, της κρυσταλλογραφίας, μιας σχετικά νέας επιστήμης, που γεννήθηκε στα μέσα του 17ου αιώνα, το 1669 είναι η επίσημη ημερομηνία γέννησης της επιστήμης της κρυσταλλογραφίας και δημιουργήθηκε από τον υπέροχο Δανό επιστήμονα Νικολάι Στενόν. Στην πραγματικότητα, το όνομά του ήταν Nils Stensen, ήταν Δανός, το λατινοποιημένο όνομα είναι Nikolai Stenon. Ίδρυσε όχι μόνο την κρυσταλλογραφία, αλλά μια σειρά από επιστημονικούς κλάδους και διατύπωσε τον πρώτο νόμο της κρυσταλλογραφίας. Από εκείνη την εποχή, η κρυσταλλογραφία κατά μήκος μιας επιταχυνόμενης τροχιάς άρχισε να αναπτύσσεται.

    Ο Νίκολας Στενόν είχε μια μοναδική βιογραφία. Έγινε όχι μόνο ο ιδρυτής πολλών επιστημών, αλλά και αγιοποιήθηκε στην Καθολική Εκκλησία. Ο μεγαλύτερος Γερμανός ποιητής Γκαίτε ήταν επίσης κρυσταλλογράφος. Και ο Γκαίτε αναφέρει ότι η κρυσταλλογραφία είναι αντιπαραγωγική, υπάρχει μέσα της, και γενικά αυτή η επιστήμη είναι εντελώς άχρηστη, και δεν είναι ξεκάθαρο γιατί χρειάζεται, αλλά σαν παζλ είναι πολύ ενδιαφέρον και γι' αυτό προσελκύει πολύ έξυπνους ανθρώπους. Αυτό είπε ο Γκαίτε σε μια διάλεξη λαϊκής επιστήμης που έδωσε κάπου στα ιαματικά λουτρά του Μπάντεν σε εύπορες αδρανείς κυρίες. Παρεμπιπτόντως, υπάρχει ένα ορυκτό που πήρε το όνομά του από τον Γκαίτε, ο γαιθίτης. Πρέπει να ειπωθεί ότι εκείνη την εποχή η κρυσταλλογραφία ήταν πραγματικά μια μάλλον άχρηστη επιστήμη, πραγματικά στο επίπεδο κάποιου είδους μαθηματικών χαρακτήρων και παζλ. Όμως ο καιρός πέρασε και πριν από 100 χρόνια η κρυσταλλογραφία άφησε μόνη της την κατηγορία τέτοιων επιστημών και έγινε μια εξαιρετικά χρήσιμη επιστήμη. Είχε προηγηθεί μια μεγάλη τραγωδία.

    Και πάλι, η ατομική δομή της ύλης παρέμεινε μια υπόθεση μέχρι το 1912. Ο μεγάλος Αυστριακός φυσικός Ludwig Boltzmann έχτισε όλα τα επιστημονικά του επιχειρήματα πάνω σε αυτή την υπόθεση για την ατομικότητα της ύλης και δέχθηκε αυστηρή κριτική από πολλούς από τους αντιπάλους του: «πώς μπορείτε να χτίσετε όλες τις θεωρίες σας σε μια αναπόδεικτη υπόθεση;» Ο Ludwig Boltzmann, επηρεασμένος από αυτή την κριτική, καθώς και από την κακή υγεία, αυτοκτόνησε το 1906. Απαγχονίστηκε ενώ βρισκόταν σε διακοπές με την οικογένειά του στην Ιταλία. Μόλις 6 χρόνια αργότερα, η ατομική δομή της ύλης αποδείχθηκε. Αν είχε λοιπόν λίγη υπομονή, θα είχε θριαμβεύσει έναντι όλων των αντιπάλων του. Η υπομονή μερικές φορές σημαίνει περισσότερα από την ευφυΐα, η υπομονή σημαίνει περισσότερα από την ιδιοφυΐα. Λοιπόν - τι ήταν αυτά τα πειράματα; Αυτά τα πειράματα έγιναν από τον Max von Laue, πιο συγκεκριμένα από τους μεταπτυχιακούς φοιτητές του. Ο Max von Laue δεν έκανε κανένα από αυτά τα πειράματα μόνος του, αλλά η ιδέα ήταν δική του. Η ιδέα ήταν ότι εάν η ύλη αποτελείται πραγματικά από άτομα, εάν πράγματι, όπως πρότεινε ο Κέπλερ, τα άτομα είναι χτισμένα σε κρύσταλλο με περιοδικό κανονικό τρόπο, τότε θα πρέπει να παρατηρηθεί ένα ενδιαφέρον φαινόμενο. Λίγο πριν από αυτό, ανακαλύφθηκαν ακτινογραφίες. Οι φυσικοί τότε είχαν ήδη καταλάβει καλά ότι εάν το μήκος κύματος της ακτινοβολίας είναι συγκρίσιμο με το μήκος της περιοδικότητας - το χαρακτηριστικό μήκος του αντικειμένου, σε αυτήν την περίπτωση - τον κρύσταλλο, τότε το φαινόμενο της περίθλασης πρέπει να παρατηρηθεί. Δηλαδή, οι ακτίνες θα ταξιδεύουν όχι μόνο αυστηρά σε ευθεία γραμμή, αλλά και θα αποκλίνουν σε απολύτως αυστηρά καθορισμένες γωνίες. Έτσι, κάποιο πολύ ειδικό σχέδιο περίθλασης ακτίνων Χ πρέπει να παρατηρηθεί από τον κρύσταλλο. Ήταν γνωστό ότι το μήκος κύματος των ακτίνων Χ θα έπρεπε να είναι παρόμοιο με το μέγεθος των ατόμων, αν υπάρχουν άτομα, έγιναν εκτιμήσεις για το μέγεθος των ατόμων. Έτσι, εάν η ατομική υπόθεση της δομής της ύλης είναι σωστή, τότε θα πρέπει να παρατηρηθεί περίθλαση ακτίνων Χ των κρυστάλλων. Τι θα μπορούσε να είναι πιο εύκολο από τον έλεγχο;

    Μια απλή ιδέα, ένα απλό πείραμα, για το οποίο σε λίγο περισσότερο από ένα χρόνο, Laueέλαβε το βραβείο Νόμπελ Φυσικής. Και μπορούμε να δοκιμάσουμε αυτό το πείραμα. Αλλά, δυστυχώς, είναι πλέον πολύ ελαφρύ για όλους να παρατηρήσουν αυτό το πείραμα. Αλλά ίσως μπορούμε να το δοκιμάσουμε με έναν μάρτυρα; Ποιος θα μπορούσε να έρθει εδώ και να προσπαθήσει να παρατηρήσει αυτό το πείραμα;

    Βλέπω. Εδώ είναι ένας δείκτης λέιζερ, τον λάμπουμε - και τι συμβαίνει εδώ; Δεν έχουμε ακτινογραφίες, έχουμε οπτικό λέιζερ. Και αυτή δεν είναι η δομή του κρυστάλλου, αλλά η εικόνα του, διογκωμένη 10 χιλιάδες φορές: αλλά τελικά, το μήκος κύματος του λέιζερ είναι 10 χιλιάδες φορές μεγαλύτερο από το μήκος κύματος των ακτίνων Χ, και έτσι εκπληρώνεται και πάλι η συνθήκη περίθλασης - το μήκος κύματος είναι συγκρίσιμο με την περίοδο του κρυσταλλικού πλέγματος. Ας δούμε ένα αντικείμενο στο οποίο δεν υπάρχει κανονική δομή, ένα υγρό. Ορίστε, Όλεγκ, κράτα αυτήν την εικόνα, και θα λάμψω με ένα λέιζερ, έλα πιο κοντά, η εικόνα θα είναι μικρή, γιατί δεν μπορούμε να προβάλουμε ... κοίτα, βλέπεις ένα δαχτυλίδι εδώ, μέσα υπάρχει ένα σημείο που χαρακτηρίζει το άμεσο πέρασμα της δοκού. Αλλά ο δακτύλιος είναι περίθλαση από την ανοργάνωτη δομή του υγρού. Αν έχουμε ένα κρύσταλλο μπροστά μας, τότε η εικόνα θα είναι τελείως διαφορετική. Βλέπετε, έχουμε πολλές ακτίνες που αποκλίνουν σε αυστηρά καθορισμένες γωνίες.

    Oleg (εθελοντής):Μάλλον επειδή υπάρχουν περισσότερα άτομα...

    Artyom Oganov:Όχι, λόγω του γεγονότος ότι τα άτομα είναι διατεταγμένα με αυστηρά καθορισμένο τρόπο, μπορούμε να παρατηρήσουμε ένα τέτοιο σχέδιο περίθλασης. Αυτή η εικόνα είναι πολύ συμμετρική και αυτό είναι σημαντικό. Ας χειροκροτήσουμε τον Όλεγκ για ένα έξοχα διεξαγόμενο πείραμα που θα του έφερνε ένα βραβείο Νόμπελ πριν από 100 χρόνια.

    Στη συνέχεια, το επόμενο έτος, ο πατέρας και ο γιος του Μπράγκυ έμαθαν να αποκρυπτογραφούν μοτίβα περίθλασης και να αναγνωρίζουν κρυσταλλικές δομές από αυτά. Οι πρώτες δομές ήταν πολύ απλές, αλλά τώρα, χάρη στις πιο πρόσφατες μεθοδολογίες, για τις οποίες απονεμήθηκε το Βραβείο Νόμπελ το 1985, είναι δυνατό να αποκρυπτογραφηθούν ήδη πολύ, πολύ περίπλοκες δομές, με βάση το πείραμα. Εδώ είναι το πείραμα που αναπαράγαμε ο Όλεγκ και εγώ. Εδώ είναι η αρχική δομή, εδώ υπάρχουν μόρια βενζολίου και ο Oleg παρατήρησε μια τέτοια εικόνα περίθλασης. Τώρα, με τη βοήθεια ενός πειράματος, είναι δυνατό να αποκρυπτογραφηθούν πολύ περίπλοκες δομές, ιδιαίτερα οι δομές οιονεί κρυστάλλων, και πέρυσι δόθηκε το Νόμπελ Χημείας για την ανακάλυψη των οιονεί κρυστάλλων, αυτής της νέας κατάστασης στερεάς ύλης. Πόσο δυναμική είναι αυτή η περιοχή, τι θεμελιώδεις ανακαλύψεις γίνονται στη ζωή μας! Η δομή των πρωτεϊνών και άλλων βιολογικά ενεργών μορίων αποκρυπτογραφείται επίσης με περίθλαση ακτίνων Χ, αυτή τη μεγάλη κρυσταλλογραφική τεχνική.

    Έτσι, γνωρίζουμε τις διαφορετικές καταστάσεις της ύλης: διατεταγμένη κρυσταλλική και οιονεί κρυσταλλική, άμορφη (διαταραγμένη στερεά κατάσταση), καθώς και υγρή, αέρια κατάσταση και διάφορες πολυμερικές καταστάσεις της ύλης. Γνωρίζοντας τη δομή της ύλης, μπορείτε να προβλέψετε πολλές, πολλές από τις ιδιότητές της και με υψηλό βαθμό αξιοπιστίας. Εδώ είναι η δομή του πυριτικού μαγνησίου, ενός τύπου περοβσκίτη. Γνωρίζοντας τις κατά προσέγγιση θέσεις των ατόμων, μπορείτε να προβλέψετε, για παράδειγμα, μια τόσο δύσκολη ιδιότητα όπως οι ελαστικές σταθερές - αυτή η ιδιότητα περιγράφεται από έναν τανυστή 4 με πολλές συνιστώσες και μπορείτε να προβλέψετε αυτή τη σύνθετη ιδιότητα με πειραματική ακρίβεια, γνωρίζοντας μόνο την θέση των ατόμων. Και η ουσία είναι αρκετά σημαντική, αποτελεί το 40% του όγκου του πλανήτη μας. Είναι το πιο κοινό υλικό στη γη. Και για να κατανοήσουμε τις ιδιότητες αυτής της ουσίας, που υπάρχει σε μεγάλα βάθη, είναι δυνατό, γνωρίζοντας μόνο τη διάταξη των ατόμων.

    Θα ήθελα να μιλήσω λίγο για το πώς οι ιδιότητες σχετίζονται με τη δομή, πώς να προβλέψουμε τη δομή της ύλης για να μπορούμε να προβλέψουμε νέα υλικά και τι έχει γίνει χρησιμοποιώντας αυτού του είδους τις μεθόδους. Γιατί ο πάγος είναι ελαφρύτερος από το νερό; Όλοι γνωρίζουμε ότι τα παγόβουνα επιπλέουν και δεν βυθίζονται, ξέρουμε ότι ο πάγος βρίσκεται πάντα στην επιφάνεια του ποταμού, όχι στον πυθμένα. Τι συμβαίνει? Πρόκειται για τη δομή: αν κοιτάξετε αυτή τη δομή του πάγου, θα δείτε μεγάλα εξαγωνικά κενά σε αυτήν, και όταν ο πάγος αρχίσει να λιώνει, τα μόρια του νερού φράζουν αυτά τα εξαγωνικά κενά, λόγω των οποίων η πυκνότητα του νερού γίνεται μεγαλύτερη από την πυκνότητα του πάγος. Και μπορούμε να δείξουμε πώς συμβαίνει αυτή η διαδικασία. Θα σας δείξω μια ταινία μικρού μήκους, δείτε προσεκτικά. Το λιώσιμο θα ξεκινήσει από τις επιφάνειες, έτσι συμβαίνει στην πραγματικότητα, αλλά αυτός είναι υπολογισμός υπολογιστή. Και θα δείτε πώς το λιώσιμο εξαπλώνεται προς τα μέσα ... τα μόρια κινούνται, και βλέπετε πώς αυτά τα εξαγωνικά κανάλια φράσσονται και η ορθότητα της δομής χάνεται.

    Ο πάγος έχει πολλές διαφορετικές μορφές και η μορφή πάγου που λαμβάνεται γεμίζοντας τα κενά της δομής του πάγου με φιλοξενούμενα μόρια είναι πολύ ενδιαφέρουσα. Αλλά και η ίδια η δομή θα αλλάξει. Μιλάω για τα λεγόμενα αέρια ένυδρα ή clathrates. Βλέπετε έναν σκελετό μορίων νερού, στον οποίο υπάρχουν κενά, στα οποία υπάρχουν φιλοξενούμενα μόρια ή άτομα. Τα φιλοξενούμενα μόρια μπορεί να είναι μεθάνιο - φυσικό αέριο, μπορεί να είναι διοξείδιο του άνθρακα, μπορεί να είναι, για παράδειγμα, άτομο ξένου και καθένας από αυτούς τους ένυδρους αερίου έχει μια ενδιαφέρουσα ιστορία. Το γεγονός είναι ότι τα αποθέματα ένυδρου μεθανίου περιέχουν 2 τάξεις μεγέθους περισσότερο φυσικό αέριο από τα συμβατικά κοιτάσματα αερίου. Οι αποθέσεις αυτού του τύπου βρίσκονται, κατά κανόνα, στο ράφι της θάλασσας και σε ζώνες μόνιμου παγετού. Το πρόβλημα είναι ότι οι άνθρωποι ακόμα δεν έχουν μάθει πώς να εξάγουν αέριο από αυτούς με ασφάλεια και οικονομικά αποδοτικότητα. Εάν λυθεί αυτό το πρόβλημα, τότε η ανθρωπότητα θα μπορέσει να ξεχάσει την ενεργειακή κρίση, θα έχουμε μια σχεδόν ανεξάντλητη πηγή ενέργειας για τους επόμενους αιώνες. Το ένυδρο διοξείδιο του άνθρακα είναι πολύ ενδιαφέρον - μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως ασφαλής τρόπος για να θάψετε την περίσσεια του διοξειδίου του άνθρακα. Αντλείτε διοξείδιο του άνθρακα υπό ελαφρά πίεση στον πάγο και το ρίχνετε στον πυθμένα της θάλασσας. Αυτός ο πάγος υπάρχει εκεί αρκετά ήρεμα εδώ και πολλές χιλιάδες χρόνια. Το ένυδρο Xenon ήταν η εξήγηση για την αναισθησία με xenon, μια υπόθεση που διατυπώθηκε πριν από 60 χρόνια από τον μεγάλο χημικό κρυστάλλων Linus Pauling: το γεγονός είναι ότι εάν επιτρέπεται σε ένα άτομο να αναπνέει xenon υπό ελαφρά πίεση, το άτομο σταματά να αισθάνεται πόνο. Έχει χρησιμοποιηθεί και φαίνεται να χρησιμοποιείται μερικές φορές ως αναισθητικό για χειρουργικές επεμβάσεις. Γιατί;

    Το ξένο υπό ελαφρά πίεση σχηματίζει ενώσεις με μόρια νερού, σχηματίζοντας τους ίδιους τους υδρίτες αερίου που εμποδίζουν τη διάδοση ενός ηλεκτρικού σήματος μέσω του ανθρώπινου νευρικού συστήματος. Και το σήμα πόνου από τον χειρουργημένο ιστό απλά δεν φτάνει στους μύες, λόγω του γεγονότος ότι το ένυδρο ξένο σχηματίζεται με μια τέτοια δομή. Αυτή ήταν η πρώτη υπόθεση, ίσως η αλήθεια είναι λίγο πιο περίπλοκη, αλλά δεν υπάρχει αμφιβολία ότι η αλήθεια είναι κοντά. Όταν μιλάμε για τέτοιες πορώδεις ουσίες, δεν μπορούμε παρά να θυμηθούμε τα μικροπορώδη πυριτικά, τους λεγόμενους ζεόλιθους, που χρησιμοποιούνται ευρέως στη βιομηχανία για κατάλυση, καθώς και για διαχωρισμό μορίων κατά τη διάσπαση του πετρελαίου. Για παράδειγμα, τα μόρια οκτανίου και μεσοοκτανίου διαχωρίζονται τέλεια από ζεόλιθους: αυτός είναι ο ίδιος χημικός τύπος, αλλά η δομή των μορίων είναι ελαφρώς διαφορετική: ένα από αυτά είναι μακρύ και λεπτό, το άλλο είναι κοντό και παχύ. Και αυτός που είναι λεπτός περνάει από τα κενά της δομής, και αυτός που είναι χοντρός κοσκινίζεται, και επομένως τέτοιες δομές, τέτοιες ουσίες ονομάζονται μοριακά κόσκινα. Αυτά τα μοριακά κόσκινα χρησιμοποιούνται για τον καθαρισμό του νερού, ιδιαίτερα του νερού που πίνουμε στις βρύσες μας, πρέπει να περάσει από πολλαπλές διηθήσεις, μεταξύ άλλων με τη βοήθεια ζεόλιθων. Μπορείτε έτσι να απαλλαγείτε από τη ρύπανση με μια ποικιλία χημικών ρύπων. Οι χημικοί ρυπαντές είναι μερικές φορές εξαιρετικά επικίνδυνοι. Η ιστορία γνωρίζει παραδείγματα για το πώς η δηλητηρίαση από βαρύ μέταλλο οδήγησε σε πολύ θλιβερά ιστορικά παραδείγματα.

    Προφανώς, οι πρώτοι αυτοκράτορες της Κίνας, ο Qin Shi Huangdi και ο Ivan the Terrible, υπήρξαν θύματα δηλητηρίασης από υδράργυρο και η λεγόμενη νόσος του τρελού καπελά είχε μελετηθεί πολύ καλά, τον 18-19 αιώνες στην Αγγλία μια ολόκληρη τάξη ανθρώπων εργαζόταν στη βιομηχανία καπέλων αρρώστησε πολύ νωρίς από μια περίεργη νευρολογική ασθένεια που ονομάζεται νόσος του τρελού καπελά. Ο λόγος τους έγινε ασυνάρτητος, οι πράξεις τους χωρίς νόημα, τα μέλη τους έτρεμαν ανεξέλεγκτα και έπεσαν σε άνοια και τρέλα. Το σώμα τους βρισκόταν σε συνεχή επαφή με τον υδράργυρο, καθώς μούλιαζαν αυτά τα καπέλα σε διαλύματα αλάτων υδραργύρου, τα οποία έμπαιναν στο σώμα τους και επηρέαζαν το νευρικό σύστημα. Ο Ιβάν ο Τρομερός ήταν ένας πολύ προοδευτικός, καλός τσάρος κάτω των 30 ετών, μετά από την οποία άλλαξε εν μία νυκτί - και έγινε παράφρων τύραννος. Όταν το σώμα του εκτάφηκε, αποδείχθηκε ότι τα οστά του ήταν έντονα παραμορφωμένα και περιείχαν τεράστια συγκέντρωση υδραργύρου. Το γεγονός είναι ότι ο τσάρος υπέφερε από μια σοβαρή μορφή αρθρίτιδας και εκείνη την εποχή η αρθρίτιδα αντιμετωπίστηκε με τρίψιμο αλοιφών υδραργύρου - αυτή ήταν η μόνη θεραπεία και ίσως μόνο ο υδράργυρος εξηγεί την παράξενη τρέλα του Ιβάν του Τρομερού. Ο Τσιν Σι Χουάνγκ, ο άνθρωπος που δημιούργησε την Κίνα στη σημερινή της μορφή, κυβέρνησε για 36 χρόνια και τα πρώτα 12 χρόνια ήταν μαριονέτα στα χέρια της μητέρας του, της αντιβασιλείας, η ιστορία του μοιάζει με την ιστορία του Άμλετ. Η μητέρα του και ο εραστής του σκότωσαν τον πατέρα του και μετά προσπάθησαν να τον ξεφορτωθούν, μια τρομερή ιστορία. Αλλά, έχοντας ωριμάσει, άρχισε να κυβερνά τον εαυτό του - και σε 12 χρόνια σταμάτησε τον εσωτερικό πόλεμο μεταξύ των 7 βασιλείων της Κίνας, που κράτησε 400 χρόνια, ένωσε την Κίνα, ένωσε βάρη, χρήματα, ενοποιημένη κινεζική γραφή, έχτισε το Σινικό Τείχος της Κίνας, έχτισε 6 5.000 χιλιόμετρα αυτοκινητοδρόμων που εξακολουθούν να χρησιμοποιούνται, κανάλια που εξακολουθούν να χρησιμοποιούνται, και όλα έγιναν από έναν άνθρωπο, αλλά τα τελευταία χρόνια έχει υποστεί κάποια περίεργη μορφή μανιακής παραφροσύνης. Οι αλχημιστές του, για να τον κάνουν αθάνατο, του έδωσαν χάπια υδραργύρου, πίστευαν ότι αυτό θα τον έκανε αθάνατο, ως αποτέλεσμα, αυτός ο άνθρωπος, προφανώς διακρινόμενος από αξιοσημείωτη υγεία, πέθανε πριν φτάσει τα 50 του χρόνια και τα τελευταία χρόνια αυτού η σύντομη ζωή θολώθηκε από την τρέλα. Η δηλητηρίαση από μόλυβδο μπορεί να έκανε θύματά της πολλούς Ρωμαίους αυτοκράτορες: στη Ρώμη υπήρχαν υδραυλικά με μόλυβδο, υδραγωγείο και είναι γνωστό ότι με τη δηλητηρίαση από μόλυβδο, ορισμένα μέρη του εγκεφάλου συρρικνώνονται, μπορείτε να το δείτε ακόμη και στις τομογραφικές εικόνες, πέφτει η νοημοσύνη. Το IQ πέφτει, ένα άτομο γίνεται πολύ επιθετικό. Η δηλητηρίαση από μόλυβδο εξακολουθεί να είναι ένα μεγάλο πρόβλημα σε πολλές πόλεις και χώρες. Για να απαλλαγούμε από αυτού του είδους τις ανεπιθύμητες συνέπειες, πρέπει να αναπτύξουμε νέα υλικά για να καθαρίσουμε το περιβάλλον.

    Ενδιαφέροντα υλικά, που δεν εξηγούνται πλήρως, είναι υπεραγωγοί. Η υπεραγωγιμότητα ανακαλύφθηκε επίσης πριν από 100 χρόνια. Αυτό το φαινόμενο είναι σε μεγάλο βαθμό εξωτικό, ανακαλύφθηκε με τυχαίο τρόπο. Απλώς ψύξαν τον υδράργυρο σε υγρό ήλιο, μέτρησαν την ηλεκτρική αντίσταση, αποδείχθηκε ότι πέφτει ακριβώς στο μηδέν και αργότερα αποδείχθηκε ότι οι υπεραγωγοί ωθούν εντελώς έξω το μαγνητικό πεδίο και είναι σε θέση να αιωρούνται σε ένα μαγνητικό πεδίο. Αυτά τα δύο χαρακτηριστικά των υπεραγωγών χρησιμοποιούνται ευρέως σε εφαρμογές υψηλής τεχνολογίας. Το είδος της υπεραγωγιμότητας που ανακαλύφθηκε πριν από 100 χρόνια εξηγήθηκε, χρειάστηκε μισός αιώνας για να εξηγηθεί, αυτή η εξήγηση έφερε το βραβείο Νόμπελ στον John Bardeen και τους συναδέλφους του. Αλλά στη συνέχεια στη δεκαετία του '80, ήδη στον αιώνα μας, ανακαλύφθηκε ένας νέος τύπος υπεραγωγιμότητας και οι καλύτεροι υπεραγωγοί ανήκουν ακριβώς σε αυτήν την κατηγορία - υπεραγωγοί υψηλής θερμοκρασίας με βάση τον χαλκό. Ένα ενδιαφέρον χαρακτηριστικό είναι ότι τέτοια υπεραγωγιμότητα δεν έχει ακόμα εξήγηση. Υπάρχουν πολλές εφαρμογές για υπεραγωγούς. Για παράδειγμα, με τη βοήθεια υπεραγωγών δημιουργούνται τα πιο ισχυρά μαγνητικά πεδία και αυτό χρησιμοποιείται στην απεικόνιση μαγνητικού συντονισμού. Τα αιωρούμενα τρένα Maglev είναι μια άλλη χρήση, και εδώ είναι μια φωτογραφία που τράβηξα προσωπικά στη Σαγκάη σε ένα τρένο Maglev που δείχνει δείκτη ταχύτητας 431 χιλιομέτρων την ώρα. Οι υπεραγωγοί είναι μερικές φορές πολύ εξωτικοί: οι οργανικοί υπεραγωγοί είναι γνωστοί για περισσότερα από 30 χρόνια, δηλαδή οι υπεραγωγοί με βάση τον άνθρακα, αποδεικνύεται ότι ακόμη και το διαμάντι μπορεί να γίνει υπεραγωγός εισάγοντας μια μικρή ποσότητα ατόμων βορίου σε αυτό. Ο γραφίτης μπορεί επίσης να γίνει υπεραγωγός.

    Ακολουθεί επίσης ένας ενδιαφέρον ιστορικός παραλληλισμός για το πώς οι ιδιότητες των υλικών ή η άγνοιά τους μπορεί να έχουν μοιραίες συνέπειες. Δύο ιστορίες πολύ όμορφες, αλλά προφανώς όχι ιστορικά σωστές, αλλά θα τις πω πάντως, γιατί μια όμορφη ιστορία μερικές φορές είναι καλύτερη από μια αληθινή ιστορία. Στη βιβλιογραφία της λαϊκής επιστήμης, μπορεί κανείς πραγματικά να βρει συχνά αναφορές για το πώς η επίδραση της πανώλης του κασσίτερου - και εδώ είναι το παράδειγμά της - κατέστρεψε τις αποστολές του Ναπολέοντα στη Ρωσία και του λοχαγού Σκοτ ​​στον Νότιο Πόλο. Το γεγονός είναι ότι ο κασσίτερος σε θερμοκρασία 13 βαθμών Κελσίου υφίσταται μια μετάβαση από το μέταλλο (αυτός είναι ο λευκός κασσίτερος) στον γκρίζο κασσίτερο, έναν ημιαγωγό, ενώ η πυκνότητα πέφτει απότομα - και ο κασσίτερος καταρρέει. Αυτό ονομάζεται "πανώλη από κασσίτερο" - ο κασσίτερος απλώς θρυμματίζεται σε σκόνη. Και εδώ είναι μια ιστορία που δεν έχω δει μια πλήρη εξήγηση. Ο Ναπολέων έρχεται στη Ρωσία με στρατό 620 χιλιάδων, δίνει μόνο λίγες σχετικά μικρές μάχες - και μόνο 150 χιλιάδες άνθρωποι φτάνουν στο Μποροντίνο. Έρχονται 620, 150 χιλιάδες φτάνουν στο Borodin σχεδόν χωρίς μάχη. Υπό τον Borodino, περίπου 40 χιλιάδες περισσότερα θύματα, μετά μια υποχώρηση από τη Μόσχα - και 5 χιλιάδες φτάνουν ζωντανά στο Παρίσι. Παρεμπιπτόντως, η υποχώρηση ήταν επίσης σχεδόν χωρίς αγώνα. Τι συμβαίνει? Πώς να γλιστρήσετε από 620 χιλιάδες χωρίς αγώνα σε 5 χιλιάδες; Υπάρχουν ιστορικοί που ισχυρίζονται ότι για όλα φταίει η πανούκλα του κασσίτερου: τα κουμπιά στις στολές των στρατιωτών ήταν φτιαγμένα από κασσίτερο, ο κασσίτερος θρυμματίστηκε μόλις έπεσε το κρύο και οι στρατιώτες ήταν πραγματικά γυμνοί στον ρωσικό παγετό. Το πρόβλημα είναι ότι τα κουμπιά κατασκευάστηκαν από βρώμικο κασσίτερο, το οποίο είναι ανθεκτικό στην πανώλη του κασσίτερου.

    Πολύ συχνά μπορείτε να δείτε στον δημοφιλές επιστημονικό τύπο μια αναφορά ότι, σύμφωνα με διαφορετικές εκδοχές, ο καπετάνιος Scott είτε μετέφερε μαζί του αεροπλάνα στα οποία οι δεξαμενές καυσίμων είχαν κολλήσεις από κασσίτερο, είτε κονσερβοποιημένα τρόφιμα σε κονσέρβες - ο κασσίτερος και πάλι κατέρρευσε και η αποστολή πέθανε από την πείνα και το κρύο. Στην πραγματικότητα διάβασα τα ημερολόγια του καπετάνιου Σκοτ ​​- δεν ανέφερε κανένα αεροπλάνο, είχε κάποιο είδος χιονοστιβάδας, αλλά και πάλι δεν γράφει για τη δεξαμενή καυσίμου και δεν γράφει ούτε για κονσέρβες. Επομένως, αυτές οι υποθέσεις, προφανώς, είναι εσφαλμένες, αλλά πολύ ενδιαφέρουσες και διδακτικές. Και το να θυμάστε την επίδραση της πανώλης από κασσίτερο είναι τουλάχιστον χρήσιμο εάν πηγαίνετε σε ένα κρύο κλίμα.

    Εδώ είναι ένα άλλο πείραμα, και εδώ χρειάζομαι βραστό νερό. Ένα άλλο αποτέλεσμα που σχετίζεται με τα υλικά και τη δομή τους, που δεν θα είχε συμβεί σε κανένα άτομο, είναι το φαινόμενο της μνήμης σχήματος, που επίσης ανακαλύφθηκε εντελώς τυχαία. Σε αυτή την εικόνα, μπορείτε να δείτε ότι οι συνάδελφοί μου έφτιαξαν δύο γράμματα από αυτό το σύρμα: T U, Τεχνικό Πανεπιστήμιο, σκλήρυναν αυτό το σχήμα σε υψηλές θερμοκρασίες. Εάν σκληρύνετε κάποιο σχήμα σε υψηλή θερμοκρασία, το υλικό θα θυμάται αυτό το σχήμα. Μπορείτε να φτιάξετε μια καρδιά, για παράδειγμα, να τη δώσετε στον αγαπημένο σας και να πείτε: αυτή η καρδιά θα θυμάται τα συναισθήματά μου για πάντα ... τότε αυτό το σχήμα μπορεί να καταστραφεί, αλλά μόλις τη βάλετε σε ζεστό νερό, το σχήμα αποκαθίσταται, μοιάζει με μαγικό. Μόλις σπάσατε αυτή τη φόρμα, αλλά τη βάζετε σε ζεστό νερό - η φόρμα αποκαθίσταται. Και όλα αυτά συμβαίνουν λόγω μιας πολύ ενδιαφέρουσας και μάλλον λεπτής δομικής μεταμόρφωσης που συμβαίνει σε αυτό το υλικό σε θερμοκρασία 60 βαθμών Κελσίου, γι' αυτό και χρειάζεται ζεστό νερό στο πείραμά μας. Και ο ίδιος μετασχηματισμός συμβαίνει στον χάλυβα, αλλά στον χάλυβα συμβαίνει πολύ αργά - και το φαινόμενο της μνήμης σχήματος δεν εμφανίζεται. Φανταστείτε αν ο χάλυβας έδειχνε επίσης ένα τέτοιο αποτέλεσμα, θα ζούσαμε σε έναν εντελώς διαφορετικό κόσμο. Το εφέ μνήμης σχήματος έχει τόσες πολλές χρήσεις: οδοντικά σιδεράκια, παράκαμψη καρδιάς, εξαρτήματα κινητήρα σε αεροσκάφη για μείωση του θορύβου, συγκόλληση σε αγωγούς αερίου και πετρελαίου. Και τώρα χρειάζομαι άλλον εθελοντή... παρακαλώ, πώς σε λένε; Βίκα; Χρειαζόμαστε τη βοήθεια της Βίκυς με αυτό το καλώδιο, είναι ένα καλώδιο μνήμης σχήματος. Το ίδιο κράμα nitinol, ένα κράμα νικελίου και τιτανίου. Αυτό το σύρμα σκληρύνθηκε με τη μορφή ενός ευθύγραμμου σύρματος και θα θυμάται αυτή τη μορφή για πάντα. Βίκα, πάρε ένα κομμάτι από αυτό το σύρμα και στρίψε το με κάθε δυνατό τρόπο, κάνε το όσο πιο έμμεσο γίνεται, απλά μην δένεις τους κόμπους: ο κόμπος δεν θα ξετυλιχτεί. Και τώρα βουτήξτε το σε βραστό νερό, και το σύρμα θα θυμηθεί αυτό το σχήμα ... καλά, ισιωμένο; Αυτό το αποτέλεσμα μπορεί να παρατηρηθεί για πάντα, μάλλον το έχω δει χίλιες φορές, αλλά κάθε φορά, σαν παιδί, κοιτάζω και θαυμάζω τι όμορφο αποτέλεσμα. Ας χειροκροτήσουμε τη Βίκα. Θα ήταν υπέροχο να μπορούσαμε επίσης να προβλέψουμε τέτοια υλικά σε έναν υπολογιστή.

    Και εδώ είναι οι οπτικές ιδιότητες των υλικών, οι οποίες είναι επίσης εντελώς μη ασήμαντες. Αποδεικνύεται ότι πολλά υλικά, σχεδόν όλοι οι κρύσταλλοι, χωρίζουν μια δέσμη φωτός σε δύο δέσμες που ταξιδεύουν σε διαφορετικές κατευθύνσεις και με διαφορετικές ταχύτητες. Ως αποτέλεσμα, αν κοιτάξετε μέσα από το κρύσταλλο κάποια επιγραφή, η επιγραφή θα διπλασιάζεται πάντα ελαφρώς. Αλλά, κατά κανόνα, είναι δυσδιάκριτο για τα μάτια μας. Σε ορισμένους κρυστάλλους, αυτό το εφέ είναι τόσο δυνατό που μπορείτε να δείτε στην πραγματικότητα δύο επιγραφές.

    Ερώτηση από το βήμα:Είπατε - σε διαφορετικές ταχύτητες;

    Άρτεμ Ογκάνοφ:Ναι, η ταχύτητα του φωτός είναι σταθερή μόνο στο κενό. Στα συμπυκνωμένα μέσα είναι χαμηλότερη. Επιπλέον, πιστεύαμε ότι κάθε υλικό έχει ένα συγκεκριμένο χρώμα. Το ρουμπίνι είναι κόκκινο, το ζαφείρι είναι μπλε, αλλά αποδεικνύεται ότι το χρώμα μπορεί επίσης να εξαρτάται από την κατεύθυνση. Γενικά, ένα από τα κύρια χαρακτηριστικά ενός κρυστάλλου είναι η ανισοτροπία - η εξάρτηση των ιδιοτήτων από την κατεύθυνση. Οι ιδιότητες προς αυτή την κατεύθυνση και προς αυτήν την κατεύθυνση είναι διαφορετικές. Εδώ είναι ο ορυκτός κορδιερίτης, στον οποίο το χρώμα αλλάζει από καστανοκίτρινο σε μπλε σε διαφορετικές κατευθύνσεις, αυτός είναι ο ίδιος κρύσταλλος. Με πιστεύει κανείς; Έφερα έναν ειδικό κρύσταλλο κορδιερίτη, οπότε σας παρακαλώ... δείτε, τι χρώμα είναι;

    Ερώτηση από το βήμα:Φαίνεται λευκό, αλλά...

    Άρτεμ Ογκάνοφ:Από κάτι ελαφρύ, όπως το λευκό, έως το μωβ, απλά περιστρέφετε το κρύσταλλο. Μάλιστα, υπάρχει ένας ισλανδικός μύθος για το πώς οι Βίκινγκς ανακάλυψαν την Αμερική. Και πολλοί ιστορικοί βλέπουν αυτόν τον θρύλο ως ένδειξη της χρήσης αυτού του αποτελέσματος. Όταν οι Βίκινγκς χάθηκαν στη μέση του Ατλαντικού Ωκεανού, ο βασιλιάς τους έβγαλε μια συγκεκριμένη πέτρα από τον ήλιο και στο φως του λυκόφωτος κατάφερε να καθορίσει την κατεύθυνση προς τη Δύση και έτσι έπλευσαν στην Αμερική. Κανείς δεν ξέρει τι είναι η πέτρα του ήλιου, αλλά πολλοί ιστορικοί πιστεύουν ότι η Βίκα κρατά στα χέρια της μια ηλιόλουστη πέτρα. στο λυκόφως, στο βραδινό φως, καθώς και σε πολικά γεωγραφικά πλάτη. Και αυτό το αποτέλεσμα χρησιμοποιήθηκε από την Πολεμική Αεροπορία των ΗΠΑ μέχρι τη δεκαετία του '50, όταν αντικαταστάθηκε από πιο προηγμένες μεθόδους. Και εδώ είναι ένα άλλο ενδιαφέρον αποτέλεσμα - ο αλεξανδρίτης, αν κάποιος έχει μια επιθυμία, έφερα έναν κρύσταλλο από συνθετικό αλεξανδρίτη και το χρώμα του αλλάζει ανάλογα με την πηγή φωτός: στο φως της ημέρας και στο ηλεκτρικό. Και, τέλος, υπάρχει ένα άλλο ενδιαφέρον αποτέλεσμα που οι επιστήμονες και οι κριτικοί τέχνης δεν μπορούσαν να καταλάβουν για πολλούς αιώνες. Το κύπελλο του Λυκούργου είναι ένα αντικείμενο που κατασκευάστηκε από Ρωμαίους τεχνίτες πριν από περισσότερα από 2.000 χρόνια. Στο διάσπαρτο φως, αυτό το κύπελλο είναι πράσινο και στο εκπεμπόμενο φως, είναι κόκκινο. Και αυτό κατάφερα να το καταλάβω μόλις πριν από λίγα χρόνια. Αποδείχθηκε ότι το μπολ δεν είναι κατασκευασμένο από καθαρό γυαλί, αλλά περιέχει νανοσωματίδια χρυσού, τα οποία δημιουργούν αυτό το αποτέλεσμα. Τώρα καταλαβαίνουμε τη φύση του χρώματος - το χρώμα συνδέεται με ορισμένα εύρη απορρόφησης, με την ηλεκτρονική δομή της ύλης, και αυτό, με τη σειρά του, συνδέεται με την ατομική δομή της ύλης.

    Ερώτηση από το βήμα:Οι έννοιες του «ανακλώμενου» και του «περάσματος» μπορούν να εξηγηθούν;

    Άρτεμ Ογκάνοφ:Μπορώ! Παρεμπιπτόντως, σημειώνω ότι αυτά τα ίδια τα φάσματα απορρόφησης καθορίζουν γιατί ο κορδιερίτης έχει διαφορετικό χρώμα σε διαφορετικές κατευθύνσεις. Το γεγονός είναι ότι η ίδια η δομή του κρυστάλλου - ιδιαίτερα ο κορδιερίτης - φαίνεται διαφορετική σε διαφορετικές κατευθύνσεις και το φως απορροφάται διαφορετικά σε αυτές τις κατευθύνσεις.

    Τι είναι το λευκό φως; Αυτό είναι ολόκληρο το φάσμα από το κόκκινο έως το ιώδες, και καθώς το φως περνά μέσα από τον κρύσταλλο, μέρος αυτής της περιοχής απορροφάται. Για παράδειγμα, ένας κρύσταλλος μπορεί να απορροφήσει το μπλε χρώμα και μπορείτε να δείτε ποιο θα είναι το αποτέλεσμα από αυτόν τον πίνακα. Εάν απορροφάτε μπλε ακτίνες, τότε η έξοδος θα είναι πορτοκαλί, δηλαδή, όταν βλέπετε κάτι πορτοκαλί, ξέρετε ότι αυτή η ουσία απορροφάται στο μπλε εύρος. Διάχυτο φως είναι όταν έχετε το ίδιο κύπελλο Λυκούργου στο τραπέζι, το φως πέφτει και μέρος αυτού του φωτός διασκορπίζεται και μπαίνει στα μάτια σας. Η σκέδαση του φωτός υπακούει σε εντελώς διαφορετικούς νόμους και, ειδικότερα, εξαρτάται από την κοκκότητα του αντικειμένου. Λόγω της σκέδασης του φωτός, ο ουρανός είναι μπλε. Υπάρχει ένας νόμος σκέδασης Rayleigh που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να εξηγήσει αυτά τα χρώματα.

    Σας έδειξα πώς οι ιδιότητες σχετίζονται με τη δομή. Και πώς είναι δυνατόν να προβλεφθεί η κρυσταλλική δομή, θα εξετάσουμε εν συντομία τώρα. Αυτό σημαίνει ότι το πρόβλημα της πρόβλεψης των κρυσταλλικών δομών μέχρι πολύ πρόσφατα θεωρούνταν άλυτο. Αυτό το ίδιο το πρόβλημα διατυπώνεται ως εξής: πώς να βρείτε τη διάταξη των ατόμων που δίνει τη μέγιστη σταθερότητα - δηλαδή τη λιγότερη ενέργεια; Πως να το κάνεις? Μπορείτε, φυσικά, να ξεχωρίσετε όλες τις επιλογές για τη διάταξη των ατόμων στο διάστημα, αλλά αποδεικνύεται ότι υπάρχουν τόσες πολλές τέτοιες επιλογές που δεν θα έχετε αρκετή ζωή για να τις ταξινομήσετε, στην πραγματικότητα, ακόμη και για αρκετά απλά συστήματα, ας πούμε, με 20 άτομα, θα χρειαστείτε περισσότερο από χρόνο τη ζωή του σύμπαντος για να περάσετε από όλους αυτούς τους πιθανούς συνδυασμούς στον υπολογιστή. Ως εκ τούτου, θεωρήθηκε ότι αυτό το πρόβλημα ήταν άλυτο. Ωστόσο, αυτό το πρόβλημα λύθηκε, και με διάφορες μεθόδους, και η πιο αποτελεσματική μέθοδος, αν και μπορεί να ακούγεται άσεμνη, αναπτύχθηκε από την ομάδα μου. Η μέθοδος ονομάζεται "Επιτυχία", "USPEX", μια εξελικτική μέθοδος, ένας εξελικτικός αλγόριθμος, την ουσία του οποίου θα προσπαθήσω να σας εξηγήσω τώρα. Η εργασία είναι ισοδύναμη με την εύρεση του παγκόσμιου μέγιστου σε κάποια πολυδιάστατη επιφάνεια - για απλότητα, σκεφτείτε μια δισδιάστατη επιφάνεια, την επιφάνεια της Γης, όπου πρέπει να βρείτε το υψηλότερο βουνό χωρίς να έχετε χάρτες. Ας το θέσουμε όπως το έθεσε ο Αυστραλός συνάδελφός μου Richard Clegg - είναι Αυστραλός, αγαπά τα καγκουρό και στη διατύπωσή του με τη βοήθεια καγκουρό, μάλλον μη έξυπνων ζώων, πρέπει να προσδιορίσετε το υψηλότερο σημείο στην επιφάνεια της Γης. Το καγκουρό καταλαβαίνει μόνο απλές οδηγίες - ανέβα, κατέβα. Στον εξελικτικό αλγόριθμο, ρίχνουμε ένα καγκουρό που προσγειώνεται, τυχαία, σε διαφορετικά σημεία του πλανήτη και δίνουμε σε καθένα από αυτά μια οδηγία: ανεβείτε στην κορυφή του πλησιέστερου λόφου. Και πάνε. Όταν αυτά τα καγκουρό φτάσουν στους λόφους του Sparrow, για παράδειγμα, και όταν φτάσουν ίσως στο Elbrus, όσοι από αυτούς δεν έφτασαν ψηλά αποκλείονται, πυροβολούνται πίσω. Έρχεται ένας κυνηγός, σχεδόν είπα, ένας καλλιτέχνης, ένας κυνηγός έρχεται και πυροβολεί, και όσοι επέζησαν παίρνουν το δικαίωμα να αναπαραχθούν. Και χάρη σε αυτό, είναι δυνατό να ξεχωρίσουμε τις πιο υποσχόμενες περιοχές από ολόκληρο τον χώρο αναζήτησης. Και βήμα βήμα, πυροβολώντας όλο και πιο ψηλά καγκουρό, θα μετακινήσετε τον πληθυσμό των καγκουρό σε παγκόσμιο μέγιστο. Τα καγκουρό θα παράγουν όλο και πιο επιτυχημένους απογόνους, οι κυνηγοί θα πυροβολούν όλο και ψηλότερα καγκουρό που αναρριχούνται και έτσι αυτός ο πληθυσμός μπορεί απλά να οδηγηθεί στο Έβερεστ.

    Και αυτή είναι η ουσία των εξελικτικών μεθόδων. Για λόγους απλότητας, παραλείπω τις τεχνικές λεπτομέρειες του πώς ακριβώς εφαρμόστηκε. Και εδώ είναι μια άλλη δισδιάστατη εφαρμογή αυτής της μεθόδου, εδώ είναι η ενεργειακή επιφάνεια, πρέπει να βρούμε το πιο μπλε σημείο, εδώ είναι οι αρχικές, τυχαίες, δομές μας - αυτά είναι τα τολμηρά σημεία. Ο υπολογισμός καταλαβαίνει αμέσως ποιες από αυτές είναι κακές, εδώ - στις κόκκινες και κίτρινες περιοχές, ποιες από αυτές είναι οι πιο υποσχόμενες: στις μπλε, πρασινωπές περιοχές. Και βήμα προς βήμα, η πυκνότητα δειγματοληψίας των πιο υποσχόμενων περιοχών αυξάνεται μέχρι να βρούμε την πιο προσαρμοσμένη, πιο σταθερή δομή. Υπάρχουν διαφορετικές μέθοδοι για την πρόβλεψη δομών - μέθοδοι τυχαίας αναζήτησης, τεχνητή ανόπτηση και ούτω καθεξής, αλλά η πιο ισχυρή μέθοδος αποδείχθηκε ότι ήταν αυτή η εξελικτική μέθοδος.

    Το πιο δύσκολο πράγμα είναι πώς να δημιουργήσετε απογόνους από γονείς σε έναν υπολογιστή. Πώς να πάρετε δύο γονικές δομές και να κάνετε ένα παιδί από αυτές; Στην πραγματικότητα, σε έναν υπολογιστή, μπορείτε να κάνετε παιδιά όχι μόνο από δύο γονείς, πειραματιστήκαμε, εμείς από τρεις, και από τέσσερις προσπαθήσαμε να το κάνουμε. Αλλά, όπως αποδεικνύεται, αυτό δεν οδηγεί σε τίποτα καλό, όπως στη ζωή. Ένα παιδί είναι καλύτερο αν υπάρχουν δύο γονείς. Παρεμπιπτόντως, ένας γονέας λειτουργεί επίσης, δύο γονείς είναι βέλτιστοι και τρεις ή τέσσερις δεν λειτουργούν πια. Η εξελικτική μέθοδος έχει αρκετά ενδιαφέροντα χαρακτηριστικά, τα οποία, παρεμπιπτόντως, έχουν κοινά με τη βιολογική εξέλιξη. Βλέπουμε πώς, από μη προσαρμοσμένες, τυχαίες δομές με τις οποίες ξεκινάμε τον υπολογισμό, εμφανίζονται εξαιρετικά οργανωμένες, εξαιρετικά ταξινομημένες λύσεις στην πορεία του υπολογισμού. Βλέπουμε ότι οι υπολογισμοί είναι πιο αποτελεσματικοί όταν ο πληθυσμός των δομών είναι ο πιο διαφορετικός. Οι πιο σταθεροί και πιο επιζώντες πληθυσμοί είναι οι πληθυσμοί της διαφορετικότητας. Εδώ, για παράδειγμα, αυτό που μου αρέσει στη Ρωσία είναι το γεγονός ότι υπάρχουν περισσότερα από 150 έθνη στη Ρωσία. Υπάρχουν ξανθά μαλλιά, υπάρχουν μελαχρινοί, υπάρχουν κάθε λογής άνθρωποι καυκάσιας εθνικότητας όπως εγώ, και όλα αυτά δίνουν στον ρωσικό πληθυσμό σταθερότητα και μέλλον. Οι μονότονοι πληθυσμοί δεν έχουν μέλλον. Αυτό φαίνεται πολύ καθαρά από τους εξελικτικούς υπολογισμούς.

    Μπορούμε να προβλέψουμε ότι η σταθερή μορφή άνθρακα σε ατμοσφαιρικές πιέσεις είναι ο γραφίτης; Ναί. Αυτός ο υπολογισμός είναι πολύ γρήγορος. Αλλά εκτός από τον γραφίτη, παράγουμε αρκετές ενδιαφέρουσες, ελαφρώς λιγότερο σταθερές λύσεις στον ίδιο υπολογισμό. Και αυτές οι λύσεις μπορεί επίσης να είναι ενδιαφέρουσες. Αν αυξήσουμε την πίεση, ο γραφίτης είναι ήδη ασταθής. Ένα διαμάντι είναι σταθερό, και το βρίσκουμε επίσης πολύ εύκολα. Δείτε πώς ο υπολογισμός παράγει γρήγορα ένα διαμάντι από διαταραγμένες αρχικές δομές. Αλλά πριν βρεθεί ένα διαμάντι, παράγονται μια σειρά από ενδιαφέρουσες κατασκευές. Για παράδειγμα, εδώ είναι αυτή η δομή. Ενώ το διαμάντι έχει εξαγωνικούς δακτυλίους, οι δακτύλιοι 5 και 7 γωνιών είναι ορατοί εδώ. Αυτή η δομή είναι ελαφρώς λιγότερο σταθερή από το διαμάντι, και στην αρχή σκεφτήκαμε ότι ήταν μια περιέργεια, και μετά αποδείχθηκε ότι αυτή είναι μια νέα, πραγματικά υπάρχουσα μορφή άνθρακα, η οποία ιδρύθηκε πρόσφατα από εμάς και τους συναδέλφους μας. Αυτός ο υπολογισμός έγινε σε 1 εκατομμύριο ατμόσφαιρες. Αν αυξήσουμε την πίεση σε 20 εκατομμύρια ατμόσφαιρες, το διαμάντι θα πάψει να είναι σταθερό. Και αντί για διαμάντι, θα είναι σταθερή μια πολύ περίεργη δομή, η σταθερότητα της οποίας για άνθρακα σε τέτοιες πιέσεις υποπτευόταν εδώ και πολλές δεκαετίες, και ο υπολογισμός μας το επιβεβαιώνει.

    Έχουν γίνει πολλά από εμάς και τους συναδέλφους μας με τη βοήθεια αυτής της μεθόδου, εδώ είναι μια μικρή επιλογή από διαφορετικές ανακαλύψεις. Επιτρέψτε μου να μιλήσω μόνο για μερικά από αυτά.

    Χρησιμοποιώντας αυτή τη μέθοδο, είναι δυνατή η αντικατάσταση της εργαστηριακής ανακάλυψης υλικών με έναν υπολογιστή. Στην εργαστηριακή ανακάλυψη υλικών, ο Έντισον ήταν ο αξεπέραστος πρωταθλητής, λέγοντας: «Δεν έπαθα 10 χιλιάδες αποτυχίες, βρήκα μόνο 10 χιλιάδες τρόπους που δεν λειτουργούν». Αυτό σας λέει πόσες προσπάθειες, ανεπιτυχείς προσπάθειες να κάνετε πριν κάνετε μια πραγματική ανακάλυψη με αυτήν τη μέθοδο και με τη βοήθεια του σχεδιασμού υπολογιστή, μπορείτε να επιτύχετε επιτυχία σε 1 προσπάθεια από 1, 100 στις 100, 10 χιλιάδες στις 10 χιλιάδες , αυτός είναι ο στόχος μας είναι να αντικαταστήσουμε τη μέθοδο Edison με κάτι πολύ πιο παραγωγικό.

    Μπορούμε πλέον να βελτιστοποιήσουμε όχι μόνο την ενέργεια, αλλά και οποιαδήποτε ιδιοκτησία. Η απλούστερη ιδιότητα είναι η πυκνότητα και το πιο πυκνό υλικό που είναι γνωστό μέχρι τώρα είναι το διαμάντι. Το Diamond είναι γενικά κάτοχος ρεκόρ από πολλές απόψεις. Υπάρχουν περισσότερα άτομα σε ένα κυβικό εκατοστό διαμαντιού παρά σε ένα κυβικό εκατοστό οποιασδήποτε άλλης ουσίας. Το διαμάντι κατέχει το ρεκόρ σκληρότητας και είναι επίσης η λιγότερο συμπιεστή ουσία που είναι γνωστή. Μπορούν να σπάσουν αυτά τα ρεκόρ; Τώρα μπορούμε να κάνουμε αυτήν την ερώτηση στον υπολογιστή και ο υπολογιστής θα απαντήσει. Και η απάντηση είναι ναι, μερικά από αυτά τα ρεκόρ μπορούν να σπάσουν. Αποδείχθηκε ότι είναι αρκετά εύκολο να νικήσεις το διαμάντι από την άποψη της πυκνότητας, υπάρχουν πιο πυκνές μορφές άνθρακα που έχουν το δικαίωμα να υπάρχουν, αλλά δεν έχουν ακόμη συντεθεί. Αυτές οι μορφές άνθρακα νικούν το διαμάντι όχι μόνο σε πυκνότητα αλλά και σε οπτικές ιδιότητες. Θα έχουν υψηλότερους δείκτες διάθλασης και διασπορά φωτός - τι σημαίνει αυτό; Ο δείκτης διάθλασης ενός διαμαντιού δίνει στο διαμάντι την αξεπέραστη λάμψη και την εσωτερική του αντανάκλαση του φωτός - και η διασπορά του φωτός σημαίνει ότι το λευκό φως θα χωριστεί σε ένα φάσμα από κόκκινο σε βιολετί ακόμα περισσότερο από ένα διαμάντι. Εδώ, παρεμπιπτόντως, είναι το υλικό που αντικαθιστά συχνά το διαμάντι στη βιομηχανία κοσμημάτων - κυβικά ζιρκονία, κυβικά ζιρκονία. Ξεπερνά το διαμάντι σε διασπορά φωτός, αλλά, δυστυχώς, είναι κατώτερο από το διαμάντι σε λαμπρότητα. Και οι νέες μορφές άνθρακα θα νικήσουν το διαμάντι και στις δύο περιπτώσεις. Τι γίνεται με τη σκληρότητα; Μέχρι το 2003, πίστευαν ότι η σκληρότητα είναι μια ιδιότητα που οι άνθρωποι δεν θα μάθουν ποτέ να προβλέπουν και να υπολογίζουν, το 2003 όλα άλλαξαν με τη δουλειά των Κινέζων επιστημόνων και αυτό το καλοκαίρι επισκέφτηκα το Πανεπιστήμιο Yangshan στην Κίνα, όπου έλαβα άλλη μια επίτιμη θέση καθηγητή και εκεί επισκέφτηκα τον ιδρυτή όλης αυτής της θεωρίας. Έχουμε αναπτύξει αυτή τη θεωρία.

    Ακολουθεί ένας πίνακας που δείχνει πώς οι ορισμοί υπολογισμένης σκληρότητας συμφωνούν με το πείραμα. Για τις περισσότερες κανονικές ουσίες, η συμφωνία είναι εξαιρετική, αλλά για τον γραφίτη, τα μοντέλα προέβλεπαν ότι θα έπρεπε να είναι υπερσκληρός, κάτι που είναι προφανώς λάθος. Καταφέραμε να κατανοήσουμε και να διορθώσουμε αυτό το σφάλμα. Και τώρα, με αυτό το μοντέλο, μπορούμε να προβλέψουμε αξιόπιστα τη σκληρότητα για οποιαδήποτε ουσία και μπορούμε να θέσουμε στον υπολογιστή την εξής ερώτηση: ποια είναι η σκληρότερη ουσία; Είναι δυνατόν να ξεπεράσουμε το διαμάντι σε σκληρότητα; Οι άνθρωποι το σκέφτονται πραγματικά για πολλές, πολλές δεκαετίες. Λοιπόν, ποια είναι η σκληρότερη δομή που έχει ο άνθρακας; Η απάντηση ήταν αποθαρρυντική: διαμάντι, και δεν υπάρχει τίποτα πιο δύσκολο στον άνθρακα. Αλλά μπορείτε να βρείτε δομές άνθρακα που θα είναι κοντά στο διαμάντι σε σκληρότητα. Οι δομές άνθρακα που είναι κοντά στο διαμάντι σε σκληρότητα έχουν πραγματικά το δικαίωμα να υπάρχουν. Και ένα από αυτά είναι αυτό που σας έδειξα νωρίτερα, με κανάλια 5 και 7 μέλη. Ο Dubrovinsky το 2001 πρότεινε στη βιβλιογραφία μια εξαιρετικά σκληρή ουσία - διοξείδιο του τιτανίου, πιστεύεται ότι δεν ήταν πολύ κατώτερο από το διαμάντι σε σκληρότητα, αλλά υπήρχαν αμφιβολίες. Το πείραμα ήταν αρκετά αμφιλεγόμενο. Σχεδόν όλες οι πειραματικές μετρήσεις από εκείνη την εργασία διαψεύστηκαν αργά ή γρήγορα: ήταν πολύ δύσκολο να μετρηθεί η σκληρότητα, λόγω του μικρού μεγέθους των δειγμάτων. Αλλά ο υπολογισμός έδειξε ότι η σκληρότητα μετρήθηκε επίσης εσφαλμένα σε αυτό το πείραμα και η πραγματική σκληρότητα του διοξειδίου του τιτανίου είναι περίπου 3 φορές μικρότερη από αυτή που ισχυρίστηκαν οι πειραματιστές. Έτσι, με τη βοήθεια αυτού του είδους των υπολογισμών, μπορεί κανείς να κρίνει ακόμη και ποιο πείραμα είναι αξιόπιστο και ποιο όχι, επομένως αυτοί οι υπολογισμοί έχουν πλέον φτάσει σε υψηλή ακρίβεια.

    Υπάρχει μια άλλη ιστορία που σχετίζεται με τον άνθρακα που θα ήθελα να σας πω - ήταν ιδιαίτερα βίαιη τα τελευταία 6 χρόνια. Ξεκίνησε όμως πριν από 50 χρόνια, όταν Αμερικανοί ερευνητές πραγματοποίησαν ένα τέτοιο πείραμα: πήραν γραφίτη και τον συμπίεσαν σε πίεση περίπου 150-200 χιλιάδων ατμοσφαιρών. Εάν ο γραφίτης συμπιέζεται σε υψηλές θερμοκρασίες, πρέπει να μετατραπεί σε διαμάντι, την πιο σταθερή μορφή άνθρακα σε υψηλές πιέσεις, έτσι συντίθεται το διαμάντι. Εάν κάνετε αυτό το πείραμα σε θερμοκρασία δωματίου, τότε το διαμάντι δεν μπορεί να σχηματιστεί. Γιατί; Επειδή η αναδιάρθρωση που απαιτείται για τη μετατροπή του γραφίτη σε διαμάντι είναι πολύ μεγάλη, αυτές οι δομές είναι πολύ ανόμοιες και το ενεργειακό εμπόδιο που πρέπει να ξεπεραστεί είναι πολύ μεγάλο. Και αντί για το σχηματισμό ενός διαμαντιού, θα παρατηρήσουμε το σχηματισμό κάποιας άλλης δομής, όχι της πιο σταθερής, αλλά αυτής με το χαμηλότερο φράγμα σχηματισμού. Προτείναμε μια τέτοια δομή - και την ονομάσαμε M-carbon, αυτή είναι η ίδια δομή με 5- και 7-μελούς δακτυλίους. Οι Αρμένιοι φίλοι μου το λένε χαριτολογώντας "mcarbon-shmugler". Αποδείχθηκε ότι αυτή η δομή περιγράφει πλήρως τα αποτελέσματα εκείνου του πειράματος πριν από 50 χρόνια και η εμπειρία επαναλήφθηκε πολλές φορές. Το πείραμα, παρεμπιπτόντως, είναι πολύ όμορφο - συμπιέζοντας γραφίτη (ένα μαύρο, μαλακό αδιαφανές ημιμέταλλο) σε θερμοκρασία δωματίου, υπό πίεση, οι ερευνητές πέτυχαν ένα διαφανές υπερσκληρό μη μέταλλο: έναν απολύτως φανταστικό μετασχηματισμό! Αλλά αυτό δεν είναι διαμάντι, οι ιδιότητές του δεν συμφωνούν με το διαμάντι και η τότε υποθετική μας δομή περιέγραψε πλήρως τις ιδιότητες αυτής της ουσίας. Ήμασταν πολύ χαρούμενοι, γράψαμε ένα άρθρο και το δημοσιεύσαμε στο έγκριτο περιοδικό Physical Review Letters και επαναπαυθήκαμε στις δάφνες μας για ακριβώς ένα χρόνο. Ένα χρόνο αργότερα, Αμερικανοί και Ιάπωνες επιστήμονες βρήκαν μια νέα δομή, εντελώς διαφορετική από αυτήν, αυτή, με 4- και 8-μελούς δακτυλίους. Αυτή η δομή είναι εντελώς διαφορετική από τη δική μας, αλλά περιγράφει τα πειραματικά δεδομένα σχεδόν εξίσου καλά. Το πρόβλημα είναι ότι τα πειραματικά δεδομένα ήταν χαμηλής ανάλυσης και πολλές άλλες δομές ήταν κατάλληλες για αυτά. Πέρασαν άλλοι έξι μήνες, ένας Κινέζος ονόματι Wang πρότεινε τον W-carbon και ο W-carbon εξήγησε επίσης τα πειραματικά δεδομένα. Σύντομα η ιστορία έγινε γκροτέσκο - νέα κινεζικά συγκροτήματα εντάχθηκαν και οι Κινέζοι λατρεύουν να παράγουν, και σφράγισαν περίπου 40 δομές και όλα ταιριάζουν με τα πειραματικά δεδομένα: P-, Q-, R-, S-carbon, Q-carbon , X -, Y-, Z-carbon, M10-carbon είναι γνωστός, X'-carbon, και ούτω καθεξής - ούτε το αλφάβητο είναι αρκετό. Ποιος έχει δίκιο λοιπόν; Σε γενικές γραμμές, το M-carbon μας είχε αρχικά ακριβώς το ίδιο δικαίωμα να ισχυριστεί ότι είναι σωστό με όλους τους άλλους.

    Απάντηση από το κοινό:Όλοι έχουν δίκιο.

    Άρτεμ Ογκάνοφ:Ούτε αυτό συμβαίνει! Γεγονός είναι ότι η φύση επιλέγει πάντα ακραίες λύσεις. Δεν είναι μόνο οι άνθρωποι εξτρεμιστές, αλλά και η φύση είναι εξτρεμίστρια. Σε υψηλές θερμοκρασίες, η φύση επιλέγει την πιο σταθερή κατάσταση, γιατί σε υψηλές θερμοκρασίες μπορείτε να περάσετε από οποιοδήποτε ενεργειακό φράγμα και σε χαμηλές θερμοκρασίες, η φύση επιλέγει το μικρότερο φράγμα και μπορεί να υπάρξει μόνο ένας νικητής. Μπορεί να υπάρχει μόνο ένας πρωταθλητής - αλλά ποιος ακριβώς; Μπορείτε να κάνετε ένα πείραμα υψηλής ανάλυσης, αλλά οι άνθρωποι προσπαθούν εδώ και 50 χρόνια και κανείς δεν τα κατάφερε, όλα τα αποτελέσματα ήταν κακής ποιότητας. Μπορείτε να κάνετε τον υπολογισμό. Και στον υπολογισμό θα ήταν δυνατό να ληφθούν υπόψη τα εμπόδια ενεργοποίησης για το σχηματισμό και των 40 αυτών δομών. Αλλά, πρώτον, οι Κινέζοι εξακολουθούν να δημιουργούν νέες και νέες δομές, και ανεξάρτητα από το πόσο σκληρά προσπαθείς, θα υπάρχουν ακόμα κάποιοι Κινέζοι που θα πουν: Έχω μια ακόμη δομή, και θα τα μετράς για το υπόλοιπο της ζωής σου εμπόδια ενεργοποίησης μέχρι να σας στείλουν σε μια άξια ανάπαυσης. Αυτή είναι η πρώτη δυσκολία. Η δεύτερη δυσκολία είναι ότι είναι πολύ, πολύ δύσκολο να μετρηθούν τα εμπόδια ενεργοποίησης σε μετασχηματισμούς στερεάς κατάστασης, αυτό είναι ένα εξαιρετικά μη τετριμμένο έργο, χρειάζονται ειδικές μέθοδοι και ισχυροί υπολογιστές. Το γεγονός είναι ότι αυτοί οι μετασχηματισμοί δεν συμβαίνουν σε ολόκληρο τον κρύσταλλο, αλλά πρώτα σε ένα μικρό θραύσμα - το έμβρυο, και στη συνέχεια εξαπλώνεται στον πυρήνα και περαιτέρω. Και η μοντελοποίηση αυτού του εμβρύου είναι ένα εξαιρετικά δύσκολο έργο. Βρήκαμε όμως μια τέτοια μέθοδο, μια μέθοδο που αναπτύχθηκε νωρίτερα από Αυστριακούς και Αμερικανούς επιστήμονες και την προσαρμόσαμε στο έργο μας. Καταφέραμε να τροποποιήσουμε αυτή τη μέθοδο με τέτοιο τρόπο που με ένα χτύπημα μπορέσαμε να λύσουμε αυτό το πρόβλημα μια για πάντα. Θέσαμε το πρόβλημα ως εξής: αν ξεκινήσετε με γραφίτη, μια αρχική κατάσταση με σκληρό κώδικα, και η τελική κατάσταση δίνεται αόριστα - οποιαδήποτε τετραεδρική, υβριδοποιημένη με sp3 μορφή άνθρακα (και αυτές είναι οι καταστάσεις που αναμένουμε υπό πίεση), τότε ποιο από τα εμπόδια θα είναι ελάχιστα; Αυτή η μέθοδος μπορεί να μετρήσει τα εμπόδια και να βρει το ελάχιστο φράγμα, αλλά αν ορίσουμε την τελική κατάσταση ως ένα σύνολο διαφορετικών δομών, τότε μπορούμε να λύσουμε το πρόβλημα εντελώς. Ξεκινήσαμε τον υπολογισμό με τον μετασχηματισμό γραφίτη-διαμάντι ως «σπόρο», ξέρουμε ότι αυτός ο μετασχηματισμός δεν παρατηρείται στο πείραμα, αλλά αναρωτιόμασταν τι θα έκανε ο υπολογισμός με αυτόν τον μετασχηματισμό. Περιμέναμε λίγο (στην πραγματικότητα, αυτός ο υπολογισμός πήρε μισό χρόνο σε έναν υπερυπολογιστή) - και αντί για ένα διαμάντι, ο υπολογισμός μας έδωσε M-carbon.

    Γενικά, πρέπει να πω ότι είμαι εξαιρετικά τυχερός, είχα 1/40 πιθανότητες να κερδίσω, γιατί υπήρχαν περίπου 40 δομές που είχαν ίσες πιθανότητες να κερδίσουν, αλλά και πάλι έβγαλα λαχείο. Ο δικός μας M-carbon κέρδισε, δημοσιεύσαμε τα αποτελέσματά μας στο νέο έγκυρο περιοδικό Scientific Reports, στο νέο περιοδικό της ομάδας Nature, και ένα μήνα μετά τη δημοσίευση των θεωρητικών μας αποτελεσμάτων, τα αποτελέσματα ενός πειράματος υψηλής ανάλυσης δημοσιεύτηκαν στο ίδιο περιοδικό , για πρώτη φορά μετά από 50 χρόνια. Οι ερευνητές του Πανεπιστημίου του Γέιλ έκαναν ένα πείραμα υψηλής ανάλυσης και δοκίμασαν όλες αυτές τις δομές και αποδείχθηκε ότι μόνο ο Μ-άνθρακας ικανοποιεί όλα τα πειραματικά δεδομένα. Και τώρα στον κατάλογο των μορφών άνθρακα υπάρχει ένα ακόμη πειραματικά και θεωρητικά καθιερωμένο αλλοτρόπο άνθρακα, ο Μ-άνθρακας.

    Θα αναφέρω έναν ακόμη αλχημικό μετασχηματισμό. Υπό πίεση, αναμένεται ότι όλες οι ουσίες θα μετατραπούν σε μέταλλο, αργά ή γρήγορα οποιαδήποτε ουσία θα γίνει μέταλλο. Και τι θα γίνει με την ουσία, που αρχικά ήταν ήδη μέταλλο; Για παράδειγμα, νάτριο. Το νάτριο δεν είναι καθόλου απλά μέταλλο, αλλά ένα καταπληκτικό μέταλλο, που περιγράφεται από το μοντέλο των ελεύθερων ηλεκτρονίων, δηλαδή είναι μια ακραία περίπτωση ενός καλού μετάλλου. Τι θα συμβεί αν πιέσετε νάτριο; Αποδεικνύεται ότι το νάτριο δεν θα είναι πλέον καλό μέταλλο - στην αρχή, το νάτριο θα μετατραπεί σε μονοδιάστατο μέταλλο, δηλαδή, ο ηλεκτρισμός θα μεταφέρεται μόνο προς μία κατεύθυνση. Σε υψηλότερες πιέσεις, προβλέψαμε ότι το νάτριο θα έχανε εντελώς τη μεταλλικότητά του και θα μετατρεπόταν σε ένα κοκκινωπό διαφανές διηλεκτρικό, και εάν η πίεση αυξανόταν ακόμη περισσότερο, θα γινόταν άχρωμο σαν γυαλί. Οπότε -παίρνεις ένα ασημί μέταλλο, το στύβεις- στην αρχή γίνεται κακό μέταλλο, μαύρο σαν κάρβουνο, πιέζεις πιο πέρα- μετατρέπεται σε ένα κοκκινωπό διάφανο κρύσταλλο που μοιάζει με ρουμπίνι και μετά γίνεται λευκό σαν γυαλί. Το είχαμε προβλέψει και το περιοδικό Nature, όπου το στείλαμε, αρνήθηκε να το δημοσιεύσει. Ο συντάκτης επέστρεψε το κείμενο μέσα σε λίγες μέρες και είπε: δεν το πιστεύουμε, είναι πολύ εξωτικό. Βρήκαμε έναν πειραματιστή, τον Mikhail Yeremets, ο οποίος ήταν έτοιμος να δοκιμάσει αυτήν την πρόβλεψη και ιδού το αποτέλεσμα. Στα 110 Gigapascal, δηλαδή 1,1 εκατομμύρια ατμόσφαιρες, εξακολουθεί να είναι ένα ασημί μέταλλο, με 1,5 εκατομμύρια ατμόσφαιρες, είναι jet-black bad metal. Σε 2 εκατομμύρια ατμόσφαιρες, είναι ένα διαφανές κοκκινωπό μη μέταλλο. Και ήδη με αυτό το πείραμα, δημοσιεύσαμε τα αποτελέσματά μας πολύ εύκολα. Παρεμπιπτόντως, αυτή είναι μια μάλλον εξωτική κατάσταση της ύλης, επειδή τα ηλεκτρόνια δεν είναι πλέον απλωμένα στο διάστημα (όπως στα μέταλλα) και δεν εντοπίζονται σε άτομα ή δεσμούς (όπως σε ιοντικές και ομοιοπολικές ουσίες) - ηλεκτρόνια σθένους, τα οποία παρείχαν μεταλλικότητα στο νάτριο, παγιδεύονται σε κενά, όπου δεν υπάρχουν άτομα και είναι πολύ έντονα εντοπισμένα. Μια τέτοια ουσία μπορεί να ονομαστεί ηλεκτρίδιο, δηλ. αλάτι, όπου ο ρόλος των αρνητικά φορτισμένων ιόντων, ανιόντων, δεν παίζεται από άτομα (ας πούμε, φθόριο, χλώριο, οξυγόνο), αλλά από δέσμες πυκνότητας ηλεκτρονίων, και η μορφή νατρίου μας είναι το απλούστερο και πιο εντυπωσιακό παράδειγμα ηλεκτριδίου που είναι γνωστό .

    Τέτοιοι υπολογισμοί μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για την κατανόηση της ουσίας του εσωτερικού της γης και των πλανητών. Μαθαίνουμε για την κατάσταση του εσωτερικού της γης κυρίως από έμμεσα δεδομένα, από σεισμολογικά δεδομένα. Γνωρίζουμε ότι υπάρχει ένας μεταλλικός πυρήνας της Γης, που αποτελείται κυρίως από σίδηρο, και ένα μη μεταλλικό κέλυφος, που αποτελείται από πυριτικά άλατα μαγνησίου, που ονομάζεται μανδύας, και στην ίδια την επιφάνεια υπάρχει ένας λεπτός γήινος φλοιός στον οποίο ζούμε, και που ξέρουμε πολύ καλά.Ωραία. Και το εσωτερικό της Γης μας είναι σχεδόν εντελώς άγνωστο. Με άμεσες δοκιμές, μπορούμε να μελετήσουμε μόνο την ίδια, την ίδια την επιφάνεια της Γης. Το βαθύτερο πηγάδι είναι το Kola Superdeep, το βάθος του είναι 12,3 χιλιόμετρα, που έχει διατρηθεί στην ΕΣΣΔ, κανείς δεν μπορούσε να τρυπήσει περαιτέρω. Οι Αμερικανοί προσπάθησαν να κάνουν γεωτρήσεις, χρεοκόπησαν σε αυτό το έργο και το σταμάτησαν. Τεράστια ποσά επενδύθηκαν στην ΕΣΣΔ, έκαναν γεωτρήσεις μέχρι και 12 χιλιόμετρα, μετά έγινε η περεστρόικα και το έργο πάγωσε. Αλλά η ακτίνα της Γης είναι 500 φορές μεγαλύτερη, και ακόμη και το υπερβαθύ πηγάδι Kola τρύπησε μόνο την ίδια την επιφάνεια του πλανήτη. Όμως η ουσία του βάθους της Γης καθορίζει την όψη της Γης: σεισμοί, ηφαιστειότητα, ηπειρωτική μετατόπιση. Το μαγνητικό πεδίο σχηματίζεται στον πυρήνα της Γης, στον οποίο δεν θα φτάσουμε ποτέ. Η μεταφορά του λιωμένου εξωτερικού πυρήνα της Γης είναι υπεύθυνη για το σχηματισμό του μαγνητικού πεδίου της Γης. Παρεμπιπτόντως, ο εσωτερικός πυρήνας της Γης είναι συμπαγής και ο εξωτερικός είναι λιωμένος, είναι σαν μια καραμέλα σοκολάτας με λιωμένη σοκολάτα και μέσα είναι ένα παξιμάδι - έτσι μπορείτε να φανταστείτε τον πυρήνα της Γης. Η μεταφορά του στερεού μανδύα της Γης είναι πολύ αργή, η ταχύτητά του είναι περίπου 1 εκατοστό ετησίως. Οι θερμότερες ροές ανεβαίνουν, οι ψυχρότερες κατεβαίνουν, και αυτή είναι η συναγωγική κίνηση του μανδύα της Γης και είναι υπεύθυνη για την ηπειρωτική μετατόπιση, τον ηφαιστεισμό, τους σεισμούς.

    Ένα σημαντικό ερώτημα είναι ποια είναι η θερμοκρασία στο κέντρο της Γης; Γνωρίζουμε την πίεση από σεισμολογικά μοντέλα, αλλά αυτά τα μοντέλα δεν δίνουν θερμοκρασία. Η θερμοκρασία προσδιορίζεται ως εξής: γνωρίζουμε ότι ο εσωτερικός πυρήνας είναι συμπαγής, ο εξωτερικός είναι υγρός και ότι ο πυρήνας είναι κατασκευασμένος από σίδηρο. Έτσι, εάν γνωρίζετε το σημείο τήξης του σιδήρου σε αυτό το βάθος, τότε γνωρίζετε τη θερμοκρασία του πυρήνα σε αυτό το βάθος. Έγιναν πειράματα, αλλά έδωσαν μια αβεβαιότητα 2 χιλιάδων μοιρών και έγιναν υπολογισμοί και οι υπολογισμοί έβαλαν ένα τέλος σε αυτό το θέμα. Η θερμοκρασία τήξης του σιδήρου στα όρια του εσωτερικού και του εξωτερικού πυρήνα ήταν περίπου 6,4 χιλιάδες βαθμούς Κέλβιν. Αλλά όταν οι γεωφυσικοί έμαθαν για αυτό το αποτέλεσμα, αποδείχθηκε ότι αυτή η θερμοκρασία είναι πολύ υψηλή για να αναπαραχθούν σωστά τα χαρακτηριστικά του μαγνητικού πεδίου της Γης - αυτή η θερμοκρασία είναι πολύ υψηλή. Και τότε οι φυσικοί θυμήθηκαν ότι, στην πραγματικότητα, ο πυρήνας δεν είναι καθαρός σίδηρος, αλλά περιέχει διάφορες ακαθαρσίες. Τι, ακόμα δεν γνωρίζουμε ακριβώς, αλλά μεταξύ των υποψηφίων είναι το οξυγόνο, το πυρίτιο, το θείο, ο άνθρακας, το υδρογόνο. Μεταβάλλοντας διαφορετικές ακαθαρσίες, συγκρίνοντας τα αποτελέσματά τους, ήταν δυνατό να καταλάβουμε ότι το σημείο τήξης πρέπει να μειωθεί κατά περίπου 800 βαθμούς. Οι 5600 βαθμοί Κέλβιν είναι μια τέτοια θερμοκρασία στα όρια του εσωτερικού και του εξωτερικού πυρήνα της Γης, και αυτή η εκτίμηση είναι επί του παρόντος γενικά αποδεκτή. Αυτή η επίδραση της μείωσης της θερμοκρασίας από ακαθαρσίες, η ευτηκτική μείωση του σημείου τήξης, είναι γνωστή, λόγω αυτής της επίδρασης, τα παπούτσια μας υποφέρουν τον χειμώνα - οι δρόμοι πασπαλίζονται με αλάτι για να μειωθεί το σημείο τήξης του χιονιού και λόγω Αυτό, ο στερεός πάγος χιονιού μετατρέπεται σε υγρή κατάσταση και τα παπούτσια μας υποφέρουν από αυτό το αλμυρό νερό.

    Αλλά ίσως το πιο ισχυρό παράδειγμα του ίδιου φαινομένου είναι το κράμα του ξύλου - ένα κράμα που αποτελείται από τέσσερα μέταλλα, υπάρχουν βισμούθιο, μόλυβδος, κασσίτερος και κάδμιο, καθένα από αυτά τα μέταλλα έχει σχετικά υψηλό σημείο τήξης, αλλά το αποτέλεσμα της αμοιβαίας μείωσης του το σημείο τήξης λειτουργεί τόσο σκληρά που το κράμα του ξύλου λιώνει σε βραστό νερό. Ποιος θέλει να κάνει αυτή την εμπειρία; Παρεμπιπτόντως, αγόρασα αυτό το δείγμα κράματος Wood στο Ερεβάν στη μαύρη αγορά, το οποίο, πιθανότατα, θα δώσει σε αυτήν την εμπειρία μια επιπλέον γεύση.

    Ρίξτε βραστό νερό, και θα κρατήσω το κράμα του ξύλου, και θα δείτε πώς οι σταγόνες του κράματος του ξύλου θα πέσουν στο ποτήρι.

    Σταγόνες πέφτουν - φτάνει. Λιώνει σε θερμοκρασία ζεστού νερού.

    Και αυτό το φαινόμενο συμβαίνει στον πυρήνα της Γης, λόγω αυτού, το σημείο τήξης του σιδηρούχου κράματος μειώνεται. Αλλά τώρα το επόμενο ερώτημα είναι: από τι αποτελείται ο πυρήνας; Ξέρουμε ότι υπάρχει πολύ σίδηρος και κάποια ελαφριά στοιχεία-ακαθαρσίες, έχουμε 5 υποψήφιους. Ξεκινήσαμε με τους λιγότερο πιθανούς υποψηφίους, άνθρακα και υδρογόνο. Πρέπει να πω ότι μέχρι πρόσφατα λίγοι έδιναν σημασία σε αυτούς τους υποψηφίους, και οι δύο θεωρούνταν απίθανοι. Αποφασίσαμε να το ελέγξουμε. Μαζί με έναν υπάλληλο του Κρατικού Πανεπιστημίου της Μόσχας Zulfiya Bazhanova, αποφασίσαμε να αναλάβουμε αυτό το έργο, να προβλέψουμε τις σταθερές δομές και τις σταθερές συνθέσεις καρβιδίων και υδριδίων σιδήρου υπό τις συνθήκες του πυρήνα της Γης. Το κάναμε επίσης για το πυρίτιο, όπου δεν βρήκαμε ιδιαίτερες εκπλήξεις - και για τον άνθρακα, αποδείχθηκε ότι εκείνες οι ενώσεις που θεωρούνταν σταθερές για πολλές δεκαετίες, στην πραγματικότητα, αποδεικνύονται ασταθείς στις πιέσεις του πυρήνα της Γης. Και αποδεικνύεται ότι ο άνθρακας είναι ένας πολύ καλός υποψήφιος, στην πραγματικότητα, ο άνθρακας από μόνος του μπορεί να εξηγήσει τέλεια πολλές ιδιότητες του εσωτερικού πυρήνα της Γης, σε αντίθεση με την προηγούμενη εργασία. Το υδρογόνο, από την άλλη πλευρά, αποδείχθηκε ότι ήταν μάλλον φτωχός υποψήφιος· ούτε μία ιδιότητα του πυρήνα της Γης δεν μπορεί να εξηγηθεί μόνο από το υδρογόνο. Το υδρογόνο μπορεί να υπάρχει σε μικρές ποσότητες, αλλά δεν μπορεί να είναι το κύριο στοιχείο ακαθαρσίας στον πυρήνα της Γης. Για τα υδρογονοϋδρίδια υπό πίεση, βρήκαμε μια έκπληξη - αποδείχθηκε ότι υπάρχει μια σταθερή ένωση με τύπο που έρχεται σε αντίθεση με τη σχολική χημεία. Ένας κανονικός χημικός θα γράψει τους τύπους των υδρογονοϋδριδίων ως FeH 2 και FeH 3, μιλώντας γενικά, το FeH εμφανίζεται επίσης υπό πίεση και το ανέχονται - αλλά το γεγονός ότι το FeH 4 μπορεί να σχηματιστεί υπό πίεση ήταν μια πραγματική έκπληξη. Εάν τα παιδιά μας στο σχολείο γράψουν τη φόρμουλα FeH 4, εγγυώμαι ότι θα πάρουν ένα Α στη Χημεία, πιθανότατα ακόμη και σε ένα τρίμηνο. Αλλά αποδεικνύεται ότι υπό πίεση, οι κανόνες της χημείας παραβιάζονται - και εμφανίζονται τέτοιες εξωτικές ενώσεις. Αλλά, όπως είπα, τα υδρίδια του σιδήρου είναι απίθανο να είναι σημαντικά για το εσωτερικό της Γης, είναι απίθανο να υπάρχει υδρογόνο εκεί σε σημαντικές ποσότητες, αλλά πιθανότατα υπάρχει άνθρακας.

    Και, τέλος, η τελευταία απεικόνιση, για τον μανδύα της Γης, ή μάλλον, για το όριο μεταξύ του πυρήνα και του μανδύα, το λεγόμενο στρώμα D, το οποίο έχει πολύ περίεργες ιδιότητες. Μία από τις ιδιότητες ήταν η ανισοτροπία της διάδοσης σεισμικών κυμάτων, ηχητικών κυμάτων: στην κατακόρυφη και στην οριζόντια κατεύθυνση, οι ταχύτητες διαφέρουν σημαντικά. Γιατί έτσι? Για πολύ καιρό δεν μπορούσα να καταλάβω. Αποδεικνύεται ότι μια νέα δομή πυριτικού μαγνησίου σχηματίζεται στο στρώμα στα όρια του πυρήνα και του μανδύα της Γης. Αυτό καταφέραμε να το καταλάβουμε πριν από 8 χρόνια. Ταυτόχρονα, εμείς και οι Ιάπωνες συνάδελφοί μας δημοσιεύσαμε 2 εργασίες στο Science and Nature, οι οποίες απέδειξαν την ύπαρξη αυτής της νέας δομής. Μπορεί να φανεί αμέσως ότι αυτή η δομή φαίνεται εντελώς διαφορετική σε διαφορετικές κατευθύνσεις και οι ιδιότητές της πρέπει να διαφέρουν σε διαφορετικές κατευθύνσεις - συμπεριλαμβανομένων των ελαστικών ιδιοτήτων που είναι υπεύθυνες για τη διάδοση των ηχητικών κυμάτων. Με τη βοήθεια αυτής της δομής, ήταν δυνατό να εξηγηθούν όλες εκείνες οι φυσικές ανωμαλίες που ανακαλύφθηκαν και προκάλεσαν προβλήματα για πολλά πολλά χρόνια. Κατάφερα μάλιστα να κάνω κάποιες προβλέψεις.

    Συγκεκριμένα, μικρότεροι πλανήτες όπως ο Ερμής και ο Άρης δεν θα έχουν στρώμα όπως το στρώμα D.» Δεν υπάρχει αρκετή πίεση για να σταθεροποιηθεί αυτή η δομή. Ήταν επίσης δυνατό να γίνει μια πρόβλεψη ότι καθώς η Γη ψύχεται, αυτό το στρώμα θα πρέπει να μεγαλώνει, επειδή η σταθερότητα του μεταπεροβσκίτη αυξάνεται με τη μείωση της θερμοκρασίας. Είναι πιθανό όταν σχηματίστηκε η Γη, αυτό το στρώμα να μην υπήρχε καθόλου, και να γεννήθηκε στην πρώιμη φάση της ανάπτυξης του πλανήτη μας. Και τώρα όλα αυτά μπορούν να γίνουν κατανοητά χάρη στις προβλέψεις νέων δομών κρυσταλλικών ουσιών.

    Απάντηση από το κοινό:Χάρη στον γενετικό αλγόριθμο.

    Άρτεμ Ογκάνοφ:Ναι, αν και αυτή η τελευταία ιστορία για τον μετα-περοβσκίτη προηγήθηκε της εφεύρεσης αυτής της εξελικτικής μεθόδου. Παρεμπιπτόντως, με ώθησε να εφεύρω αυτή τη μέθοδο.

    Απάντηση από το κοινό:Έτσι, αυτός ο γενετικός αλγόριθμος είναι 100 ετών, απλά δεν έκαναν τίποτα εκεί.

    Άρτεμ Ογκάνοφ:Αυτός ο αλγόριθμος δημιουργήθηκε από εμένα και τον μεταπτυχιακό φοιτητή μου το 2006. Παρεμπιπτόντως, το να το αποκαλούμε "γενετικό" είναι λάθος, το πιο σωστό όνομα είναι "εξελικτικό". Οι εξελικτικοί αλγόριθμοι εμφανίστηκαν στη δεκαετία του '70 και έχουν βρει εφαρμογή σε πολλούς τομείς της τεχνολογίας και της επιστήμης. Για παράδειγμα, τα αυτοκίνητα, τα πλοία και τα αεροπλάνα βελτιστοποιούνται χρησιμοποιώντας εξελικτικούς αλγόριθμους. Αλλά για κάθε νέα εργασία, ο εξελικτικός αλγόριθμος είναι εντελώς διαφορετικός. Οι εξελικτικοί αλγόριθμοι δεν είναι μία μέθοδος, αλλά μια τεράστια ομάδα μεθόδων, μια ολόκληρη τεράστια περιοχή εφαρμοσμένων μαθηματικών και για κάθε νέο τύπο προβλήματος, πρέπει να εφευρεθεί μια νέα προσέγγιση.

    Απάντηση από το κοινό:Τι μαθηματικά; Είναι γενετική.

    Άρτεμ Ογκάνοφ:Δεν είναι γενετική, είναι μαθηματικά. Και για κάθε νέα εργασία, πρέπει να εφεύρετε τον νέο σας αλγόριθμο από την αρχή. Και οι άνθρωποι στην πραγματικότητα προσπάθησαν να εφεύρουν εξελικτικούς αλγόριθμους πριν από εμάς και να τους προσαρμόσουν για να προβλέψουν κρυσταλλικές δομές. Αλλά πήραν κυριολεκτικά αλγόριθμους από άλλες περιοχές - και δεν λειτούργησε, οπότε έπρεπε να δημιουργήσουμε μια νέα μέθοδο από την αρχή, και αποδείχθηκε πολύ ισχυρή. Αν και το πεδίο των εξελικτικών αλγορίθμων υπάρχει εδώ και περίπου όσο καιρό έχω, τουλάχιστον από το 1975, η πρόβλεψη της κρυσταλλικής δομής χρειάστηκε αρκετή προσπάθεια για τη δημιουργία μιας μεθόδου εργασίας.

    Όλα αυτά τα παραδείγματα που σας έδωσα δείχνουν πώς η κατανόηση της δομής της ύλης και η ικανότητα πρόβλεψης της δομής της ύλης οδηγούν στο σχεδιασμό νέων υλικών που μπορούν να έχουν ενδιαφέρουσες οπτικές ιδιότητες, μηχανικές ιδιότητες, ηλεκτρονικές ιδιότητες. Υλικά που αποτελούν το εσωτερικό της Γης και άλλων πλανητών. Σε αυτήν την περίπτωση, μπορείτε να λύσετε μια ολόκληρη σειρά από ενδιαφέρουσες εργασίες σε έναν υπολογιστή χρησιμοποιώντας αυτές τις μεθόδους. Τεράστια συνεισφορά στην ανάπτυξη αυτής της μεθόδου και της εφαρμογής της είχαν οι υπάλληλοί μου και περισσότεροι από 1000 χρήστες της μεθόδου μας σε διάφορα μέρη του κόσμου. Επιτρέψτε μου να ευχαριστήσω ειλικρινά όλους αυτούς τους ανθρώπους και τους διοργανωτές αυτής της διάλεξης, και εσάς - για την προσοχή σας.

    Συζήτηση διάλεξης

    Μπόρις Ντόλγκιν:Ευχαριστώ πολύ! Ευχαριστώ πολύ, Artem, ευχαριστώ πολύ τους διοργανωτές που μας έδωσαν μια πλατφόρμα για αυτήν την έκδοση δημόσιων διαλέξεων, ευχαριστώ πολύ την RVC που μας στήριξε σε αυτήν την πρωτοβουλία, είμαι σίγουρος ότι η έρευνα του Artyom θα συνεχιστεί, η οποία σημαίνει ότι θα έχουμε νέο υλικό για τη διάλεξή του, εδώ , γιατί πρέπει να πούμε ότι μερικά από αυτά που ειπώθηκαν σήμερα δεν υπήρχαν στην πραγματικότητα την εποχή των προηγούμενων διαλέξεων, οπότε είναι λογικό.

    Ερώτηση από το βήμα:Πείτε μου, παρακαλώ, πώς να διασφαλίσετε τη θερμοκρασία δωματίου σε τόσο υψηλή πίεση; Οποιοδήποτε σύστημα πλαστικής παραμόρφωσης συνοδεύεται από απελευθέρωση θερμότητας. Δυστυχώς δεν το είπες.

    Άρτεμ Ογκάνοφ:Το γεγονός είναι ότι όλα εξαρτώνται από το πόσο γρήγορα συμπιέζετε. Εάν η συμπίεση πραγματοποιείται πολύ γρήγορα, για παράδειγμα, σε κρουστικά κύματα, τότε συνοδεύεται απαραίτητα από θέρμανση, η απότομη συμπίεση οδηγεί αναγκαστικά σε αύξηση της θερμοκρασίας. Εάν κάνετε τη συμπίεση αργά, τότε το δείγμα έχει αρκετό χρόνο για να ανταλλάξει θερμότητα με το περιβάλλον του και να έρθει σε θερμική ισορροπία με το περιβάλλον του.

    Ερώτηση από το βήμα:Και το setup σας σας επιτρέπει να το κάνετε αυτό;

    Άρτεμ Ογκάνοφ:Το πείραμα δεν το έκανα εγώ, έκανα μόνο υπολογισμούς και θεωρία. Δεν επιτρέπω στον εαυτό μου να πειραματιστεί λόγω εσωτερικής λογοκρισίας. Και το πείραμα διεξήχθη σε θαλάμους με άκμονα διαμαντιών, όπου ένα δείγμα συμπιέζεται ανάμεσα σε δύο μικρά διαμάντια. Σε τέτοια πειράματα, το δείγμα έχει τόσο πολύ χρόνο για να φτάσει σε θερμική ισορροπία που το ερώτημα δεν τίθεται εδώ.

    1. 1. Σχεδιασμός νέων υλικών από υπολογιστή: όνειρο ή πραγματικότητα; Artem Oganov (ARO) (1) Τμήμα Γεωεπιστημών (2) Τμήμα Φυσικής και Αστρονομίας (3) New York Center for Computational Sciences State University of New York, Stony Brook, NY 11794-2100 (4) Moscow State University, Moscow, 119992, Ρωσία.
    2. 2. Η δομή της ύλης: άτομα, μόρια Οι αρχαίοι μάντευαν ότι η ύλη αποτελείται από σωματίδια: «όταν Αυτός (ο Θεός) δεν δημιούργησε τη γη, ούτε τα χωράφια, ούτε τα αρχικά σωματίδια σκόνης του σύμπαντος» (Παροιμίες, 8:26 ) (επίσης - Epicurus, Lucretius Car , αρχαίοι Ινδοί, ...) Το 1611, ο I. Kepler πρότεινε ότι η δομή του πάγου, η μορφή των νιφάδων χιονιού, καθορίζεται από την ατομική τους δομή
    3. 3. Η δομή της ύλης: άτομα, μόρια, κρύσταλλοι 1669 - η γέννηση της κρυσταλλογραφίας: Ο Νικολάι Στενόν διατυπώνει τον πρώτο ποσοτικό νόμο της κρυσταλλογραφίας μέσα σου. Δίνει στο μυαλό μια ορισμένη περιορισμένη ικανοποίηση και οι λεπτομέρειες του είναι τόσο ποικίλες που μπορεί να ονομαστεί ανεξάντλητο. γι' αυτό εξασκεί λάσο και τους καλύτερους ανθρώπους τόσο επίμονα και για τόσο μεγάλο χρονικό διάστημα» (J.W. Goethe, ερασιτέχνης κρυσταλλογράφος, 1749-1832) Ο Ludwig Boltzmann (1844-1906) είναι ένας σπουδαίος Αυστριακός φυσικός που έχτισε όλες του τις θεωρίες σε ιδέες για τα άτομα . Η κριτική του ατομισμού τον οδήγησε στην αυτοκτονία το 1906. Το 1912, η ​​υπόθεση της ατομικής δομής της ύλης αποδείχθηκε από τα πειράματα του Max von Laue.
    4. 4. Η δομή είναι η βάση για την κατανόηση των ιδιοτήτων και της συμπεριφοράς των υλικών (από http://nobelprize.org) Zinc blende ZnS. Μια από τις πρώτες δομές που λύθηκαν από τους Braggs το 1913. Έκπληξη: ΔΕΝ υπάρχουν μόρια ZnS στη δομή!
    5. 5. Περίθλαση ακτίνων Χ - η κύρια μέθοδος πειραματικού προσδιορισμού της κρυσταλλικής δομής Structure Diffraction pattern
    6. 6. Συσχέτιση δομής και σχήματος περίθλασης Ποιο θα είναι το σχέδιο περίθλασης αυτών των «δομών»;
    7. 7. Θρίαμβος του πειράματος - προσδιορισμός απίστευτα πολύπλοκων κρυσταλλικών δομών Ασύγκριτες φάσεις Οιονεί κρύσταλλοι στοιχείων Πρωτεΐνες (Rb-IV, U.Schwarz'99) Μια νέα κατάσταση της ύλης, που ανακαλύφθηκε το 1982. Βρέθηκε στη φύση μόλις το 2009! Βραβείο Νόμπελ 2011!
    8. 8. Καταστάσεις της ύλης Κρυσταλλικό Κουασικρυσταλλικό Άμορφο Υγρό Αέριο («μαλακή ύλη» – πολυμερή, υγροί κρύσταλλοι)
    9. 9. Η ατομική δομή είναι το πιο σημαντικό χαρακτηριστικό της ύλης. Γνωρίζοντας το, μπορεί κανείς να προβλέψει τις ιδιότητες του υλικού και την ηλεκτρονική του δομή Θεωρία Έκπ. C11 493 482 C22 546 537 C33 470 485 C12 142 144 C13 146 147 C23 160 146 C44 212 204 C55 186 186 Ελαστικές σταθερές C12 142 144 C13 146 147 C23 160 146 C44 212 204 C55 186 186 Ελαστικές σταθερές C 649G
    10. 10. Λίγες ιστορίες 4. Υλικά του εσωτερικού της γης 3. Υλικά από υπολογιστή 2. Είναι δυνατόν να προβλεφθεί η κρυσταλλική1. Σχετικά με τη σύνδεση δομής; δομής και ιδιοτήτων
    11. 11. Γιατί ο πάγος είναι ελαφρύτερος από το νερό Η δομή του πάγου περιέχει μεγάλα άδεια κανάλια, τα οποία δεν βρίσκονται στο υγρό νερό. Λόγω της παρουσίας αυτών των κενών καναλιών, ο πάγος είναι ελαφρύτερος από τον πάγο.
    12. 12. Υδρίτες αερίων (clathrates) - πάγος γεμάτος με φιλοξενούμενα μόρια (μεθάνιο, διοξείδιο του άνθρακα, χλώριο, ξένο κ.λπ.) Αριθμός δημοσιεύσεων για τα κλαθρικά Τεράστια κοιτάσματα ένυδρου μεθανίου - ελπίδα και σωτηρία ενέργειας; Κάτω από χαμηλή πίεση, το μεθάνιο και το διοξείδιο του άνθρακα σχηματίζουν clathrates - 1 λίτρο clathrate περιέχει 168 λίτρα αερίου! Το ένυδρο μεθάνιο μοιάζει με πάγο, αλλά καίγεται για να απελευθερώσει νερό. Είναι το ένυδρο CO2 μια μορφή αποθήκευσης διοξειδίου του άνθρακα; Ο μηχανισμός της αναισθησίας με ξένο είναι ο σχηματισμός της ένυδρου Xe, η οποία εμποδίζει τη μετάδοση νευρωνικών σημάτων στον εγκέφαλο (Pauling, 1951).
    13. 13. Μικροπορώδη υλικά για τη χημική βιομηχανία και τον καθαρισμό του περιβάλλοντος Οι ζεόλιθοι είναι μικροπορώδη αργιλοπυριτικά άλατα Ο διαχωρισμός οκτανίου και ισοοκτανίου με ζεόλιθο χρησιμοποιείται στη χημική βιομηχανία. βιομηχανία Ιστορικά παραδείγματα δηλητηρίασης από βαρέα μέταλλα: Qin Shi Huangdi Ivan IV the Terrible "Ασθένεια του Νέρωνα (37-68) Μόλυβδος (259 - 210 π.Χ.) (1530-1584) παράφρων δηλητηρίαση: καπελάς" επιθετικότητα, άνοια
    14. 14. Νέοι και παλιοί υπεραγωγοί Το φαινόμενο ανακαλύφθηκε το 1911 από τον Kamerling-Onnes Theory of superconductivity - 1957 (Bardeen, Cooper, Schrieffer), αλλά δεν υπάρχει θεωρία για τους υπεραγωγούς υψηλότερης θερμοκρασίας (Bednorz, Muller, 1986)! Οι πιο ισχυροί μαγνήτες (MRI, φασματόμετρα μάζας, επιταχυντές σωματιδίων) Τρένα με μαγνητική αιώρηση (430 km/h)
    15. 15. Έκπληξη: υπεραγώγιμες μορφές ακαθαρσίας άνθρακα 1,14 1 Tc  exp[ ] kB g (E F)V Ντοπαρισμένος γραφίτης: KC8 (Tc=0,125 K), CaC6 (Tc=11 K). Β-ντοπαρισμένο διαμάντι: Tc=4 K. Ντοπαρισμένα φουλερένια: RbCs2C60 (Tc=33 K) Μόριο του μορίου Δομή και εμφάνιση κρυστάλλων φουλερενίου φουλλερίτη C60 Η υπεραγωγιμότητα σε οργανικούς κρυστάλλους είναι γνωστή από το 1979 (Bechgaard, ).
    16. 16. Πώς τα υλικά μπορούν να σώσουν ή να καταστρέψουν Σε χαμηλές θερμοκρασίες, ο κασσίτερος υφίσταται μια μετάβαση φάσης - «πανώλη κασσίτερου». 1812 - σύμφωνα με το μύθο, η αποστολή του Ναπολέοντα στη Ρωσία πέθανε εξαιτίας των τσίγκινων κουμπιών στις στολές του! 1912 - ο θάνατος της αποστολής του καπετάνιου R.F. Σκοτ στον Νότιο Πόλο, που αποδόθηκε στην «πανούκλα του κασσίτερου». Μετάβαση πρώτης τάξης στους 13 0C Λευκός κασσίτερος: 7,37 g/cm3 Γκρι κασσίτερος: 5,77 g/cm3
    17. 17. Διαμορφώστε τα κράματα μνήμης 1 2 3 4 1- πριν από την παραμόρφωση 3- μετά τη θέρμανση (20°C) (50°C) 2- μετά την παραμόρφωση 4- μετά την ψύξη (20°C) (20°C) Παράδειγμα: NiTi (νιτινόλη ) Εφαρμογές: Παρακλίσεις, οδοντικά σιδεράκια, στοιχεία πετρελαιαγωγών και κινητήρες αεροσκαφών
    18. 18. Θαύματα οπτικών ιδιοτήτων Πλειχρωισμός (κορδιερίτης) - ανακάλυψη της ναυσιπλοΐας της Αμερικής και της Πολεμικής Αεροπορίας των Η.Π.Α.
    19. 19. Σχετικά με τη φύση του χρώματος Μήκος κύματος, Å Χρώμα Συμπληρωματικό χρώμα 4100 Violet Lemon Yellow 4300 Indigo Yellow 4800 Blue Orange 5000 Blue Green Red 5300 Green Magenta 5600 Lemon Yellow Violet 5800 Yellow Indigo Yellow 610
    20. 20. Το χρώμα εξαρτάται από την κατεύθυνση (pleochroism). Παράδειγμα: κορδιερίτης (Mg,Fe)2Al4Si5O18.
    21. 21. 2. Πρόβλεψη κρυσταλλικών δομών Oganov A.R., Lyakhov A.O., Valle M. (2011). Πώς λειτουργεί η πρόβλεψη της εξελικτικής κρυσταλλικής δομής - και γιατί. λογ. Chem. Res. 44, 227-237.
    22. 22. J. Maddox (Nature, 1988) Ο στόχος είναι να βρεθεί το ΠΑΓΚΟΣΜΙΟ ελάχιστο της ενέργειας του χρόνου Natoms Variants. 1 1 1 δευτ. Είναι αδύνατο να απαριθμήσουμε όλες τις δομές: 10 1011 103 χρόνια. 20 1025 1017 χρόνια. 30 1039 1031 ετ. Επισκόπηση της μεθόδου USPEX (ARO & Glass, J.Chem.Phys. 2006)
    23. 23. Πώς να χρησιμοποιήσετε την εξέλιξη του καγκουρό για να βρείτε το Έβερεστ; (εικόνα από τον R. Clegg) Προσγειώνουμε στρατεύματα καγκουρό και τα αφήνουμε να αναπαραχθούν (δεν εμφανίζεται για λόγους λογοκρισίας).....
    24. 24. Πώς να χρησιμοποιήσετε την εξέλιξη του καγκουρό για να βρείτε το Έβερεστ; (εικόνα από τον R. Clegg) Aaaargh! Ωχ ....και κατά καιρούς έρχονται κυνηγοί και απομακρύνουν καγκουρό σε χαμηλότερα υψόμετρα
    25. 25.
    26. 26. Οι εξελικτικοί υπολογισμοί «αυτομαθαίνουν» και εστιάζουν την αναζήτηση στις πιο ενδιαφέρουσες περιοχές του διαστήματος
    27. 27. Οι εξελικτικοί υπολογισμοί «αυτομαθαίνουν» και εστιάζουν την αναζήτηση στις πιο ενδιαφέρουσες περιοχές του διαστήματος
    28. 28. Οι εξελικτικοί υπολογισμοί «αυτομαθαίνουν» και εστιάζουν την αναζήτηση στις πιο ενδιαφέρουσες περιοχές του διαστήματος
    29. 29. Οι εξελικτικοί υπολογισμοί «αυτομαθαίνουν» και εστιάζουν την αναζήτηση στις πιο ενδιαφέρουσες περιοχές του διαστήματος
    30. 30. Εναλλακτικές μέθοδοι: Τυχαία αναζήτηση (Freeman & Catlow, 1992; van Eijck & Kroon, 2000; Pickard & Needs, 2006) Χωρίς "μάθηση", λειτουργεί μόνο για απλά συστήματα (έως 10-12 άτομα). Τεχνητή ανόπτηση (Pannetier 1990 ; Schön & Jansen 1996) Χωρίς "μάθηση" Μεταδυναμικής (Martonak, Laio, Parrinello 2003) Αναζήτηση ταμπού σε μειωμένο χώρο Minima hopping (Gödecker 2004) Χρησιμοποιεί ιστορικό υπολογισμών και "αυτομάθηση". Οι γενετικοί και εξελικτικοί αλγόριθμοι Bush (1995), Woodley (1999) είναι μια αναποτελεσματική μέθοδος για τους κρυστάλλους. Οι Deaven & Ho (1995) είναι μια αποτελεσματική μέθοδος για τα νανοσωματίδια.
    31. 31. USPEX (Universal Structure Predictor: Evolutionary Xtallography) (Τυχαίος) αρχικός πληθυσμός Η νέα γενιά δομών παράγεται μόνο από τις καλύτερες τρέχουσες δομές (1) Κληρονομικότητα (3) Συντεταγμένη (2) Μετάλλαξη πλέγματος (4) Μετάθεση
    32. 32. Πρόσθετες τεχνικές - παράμετρος παραγγελίας "Fingerprint" της δομής Γέννηση τάξης από το χάος στην εξελικτική διαδικασία ["GOD = Generator Of Diversity" © S. Avetisyan] Τοπική τάξη - υποδεικνύει ελαττωματικές περιοχές
    33. 33. Δοκιμή: «Ποιος θα μαντέψει ότι ο γραφίτης είναι το σταθερό αλλοτρόπιο του άνθρακα στη συνηθισμένη πίεση;» (Maddox, 1988) Τρισδιάστατη δομή sp2 που προτάθηκε από τον R. Hoffmann (1983) ως σταθερή φάση σε 1 atm Δομές με χαμηλό sp3 - ενεργειακός υβριδισμός απεικονίζει sp2 hybridization carbon chemistry sp hybridization (carbine)
    34. Δοκιμή: Οι φάσεις υψηλής πίεσης αναπαράγονται επίσης σωστά 100 GPa: σταθερό διαμάντι 2000 GPa: σταθερή φάση bc8 + βρέθηκε μετασταθερή φάση που εξηγεί Η μετασταθερή φάση bc8 του πυριτίου "υπερσκληρός γραφίτης" είναι γνωστή (Kasper, 1964) (Li, ARO, Ma, et al. ., PRL 2009)
    35. 35. Ανακαλύψεις που έγιναν με το USPEX:
    36. 36. 3. Υλικά από τον υπολογιστή
    37. 37. Discovery of New Materials: Still a Experimental Trial and Error «Δεν απέτυχα (δέκα χιλιάδες) αλλά ανακάλυψα μόνο 10.000 τρόπους που δεν λειτούργησαν» (T.A. Edison)
    38. 38. Αναζήτηση για την πιο πυκνή ουσία: είναι δυνατές τροποποιήσεις άνθρακα πιο πυκνού από το διαμάντι; Ναι Η δομή του διαμαντιού Το διαμάντι έχει τον μικρότερο ατομικό όγκο και τη μεγαλύτερη ασυμπίεση όλων των νέων δομών, στοιχείων (και ενώσεων). πιο πυκνό από ένα διαμάντι! (Zhu, ARO, et al., 2011)
    39. 39. Η αναλογία των μορφών άνθρακα και πυριτίου (SiO2) καθιστά δυνατή την κατανόηση της πυκνότητας των νέων μορφών άνθρακα Νέες δομές, 1,1-3,2% πυκνότερες από το διαμάντι, πολύ υψηλοί (έως 2,8!) δείκτες διάθλασης και διασπορά φωτός διαμάντι δομή hP3 tP12 δομή tI12 δομή SiO2 κριστοβαλίτης SiO2 χαλαζίας SiO2 κιτίτης υψηλής πίεσης φάση SiS2
    40. 40.
    41. 41. Το σκληρότερο οξείδιο είναι το TiO2; (Dubrovinsky et al., Nature 410, 653-654 (2001)) Nishio-Hamane (2010) και Al-Khatatbeh (2009): συντελεστής συμπίεσης ~300 GPa αντί 431 GPa. Lyakhov & ARO (2011): Τα πειράματα πίεσης είναι πολύ δύσκολα! Σκληρότητα όχι μεγαλύτερη από 16 GPa! Το TiO2 είναι μαλακότερο από το SiO2 του στισοβίτη (33 GPa), του B6O (45 GPa), του Al2O3 του κορουνδίου (21 GPa).
    42. 42. Είναι δυνατές μορφές άνθρακα πιο σκληρές από το διαμάντι; Οχι . Υλικό Μοντέλο Li Lyakhov Exp. Hardness, Enthalpy, et al. & ARO Structure GPa eV/atom (2009) (2011) Διαμάντι 89,7 0,000 Διαμάντι 91,2 89,7 90 Lonsdaleite 89,1 0,026 Γραφίτης 57,4 0,17 0,14 C2310 0,14 C2/m 2.6 . 8-10 I4 /mmmm 84,0 0,198 β-Si3N4 23,4 23,4 21 Cmcm 83,5 0,282SiO2 stishovite 31,8 30,8 33 P2/m 83,4 0,166 I212121 82,9 0,784 Fmmm 82,2 0,322 Cmcm 82,0 65221 είναι η πιο σκληρή δομή. sp3 -υβριδισμός εξελικτικός υπολογισμός
    43. 43. Η ψυχρή συμπίεση του γραφίτη δίνει Μ-άνθρακα, όχι διαμάντι! Το M-carbon προτάθηκε το 2006. Το 2010-2012. Έχουν προταθεί δεκάδες εναλλακτικές δομές (W-, R-, S-, Q-, X-, Y-, Z-άνθρακας, κ.λπ.) Ο Μ-άνθρακας επιβεβαιώνεται από τα πιο πρόσφατα πειράματα Ο Μ-άνθρακας σχηματίζεται πιο εύκολα από graphite graphite bct4-carbon graphite M - carbon graphite diamond
    44. 44. M-carbon - μια νέα μορφή άνθρακα διαμαντιγραφίτη lonsdaleite Θεωρητικό διάγραμμα φάσης του άνθρακα M-carbonfullerenes carbines
    45. 45. Ουσία υπό πίεση στη φύση P.W. Bridgman 1946 Νομπελίστας (Φυσικής) 200x Κλίμακα: 100 GPa = 1 Mbar =
    46. Ο Ποσειδώνας έχει μια εσωτερική πηγή θερμότητας - αλλά από πού προέρχεται το CH4; Ουρανός και Ποσειδώνας: H2O:CH4:NH3 = 59:33:8. Ο Ποσειδώνας έχει μια εσωτερική πηγή ενέργειας (Hubbard'99). Ross'81 (και Benedetti'99): CH4=C(διαμάντι) + 2Η2. Είναι το διαμάντι που πέφτει η κύρια πηγή θερμότητας στον Ποσειδώνα; Η θεωρία (Ancilotto'97; Gao'2010) το επιβεβαιώνει. διαμάντι υδρογονάνθρακες μεθανίου
    47. 47. Το βόριο βρίσκεται μεταξύ μετάλλων και μη μετάλλων και οι μοναδικές του δομές είναι ευαίσθητες σε ακαθαρσίες Β, θερμοκρασία και πίεση άλφα-Β βήτα-Β Τ-192
    48. 48. Η ιστορία της ανακάλυψης και της έρευνας του βορίου είναι γεμάτη αντιφάσεις και στροφές ντετέκτιβ Β 1808: Ο J.L. Gay-Lussac και ο H. Davy ανακοίνωσαν την ανακάλυψη ενός νέου στοιχείου - του βορίου. J.L. Gay-Lussac H. Davy 1895: Ο H. Moissan απέδειξε ότι οι ουσίες που ανακάλυψαν δεν περιείχαν περισσότερο από 50-60% βόριο. Το υλικό Moissan, ωστόσο, αποδείχθηκε επίσης ότι ήταν μια ένωση με περιεκτικότητα σε βόριο μικρότερη από 90%. H. Moissan 1858: Ο F. Wöhler περιέγραψε 3 τροποποιήσεις του βορίου - "διαμάντι-", "γραφίτης" και "σαν άνθρακα". Και οι τρεις αποδείχθηκαν ενώσεις (για παράδειγμα, AlB12 και B48C2Al). 2007: Έχουν δημοσιευτεί ~16 τροποποιήσεις κρυστάλλων (οι περισσότερες είναι ενώσεις;). Δεν είναι γνωστό ποια μορφή είναι η πιο σταθερή. F. Wöhler
    49. 49. Υπό πίεση, το βόριο σχηματίζει μια εν μέρει ιοντική δομή! B 2004: Chen και Solozhenko: συνέθεσαν μια νέα τροποποίηση του βορίου, αλλά δεν μπόρεσαν να λύσουν τη δομή του. 2006: Oganov: καθόρισε τη δομή, απέδειξε τη σταθερότητά της. 2008: Solozhenko, Kurakevich, Oganov - αυτή η φάση είναι μια από τις πιο σκληρές γνωστές ουσίες (σκληρότητα 50 GPa). Περίθλαση ακτίνων Χ. Πάνω - θεωρία, Κάτω - πείραμα Δομή γάμμα-βορίου: (B2)δ+(B12)δ-, δ=+0,5 (ARO et al., Nature 2009). Κατανομή του περισσότερου (αριστερά) και του ελάχιστου (δεξιά) σταθερά ηλεκτρόνια.
    50. 50. Το πρώτο διάγραμμα φάσης του βορίου - μετά από 200 χρόνια έρευνας! Διάγραμμα φάσης βορίου (ARO et al., Nature 2009)
    51. 51. Το νάτριο είναι ένα μέταλλο που περιγράφεται τέλεια από το μοντέλο των ελεύθερων ηλεκτρονίων
    52. 52. Υπό πίεση, το νάτριο αλλάζει την ουσία του - «αλχημικός μετασχηματισμός» Na 1807: Το νάτριο ανακαλύφθηκε από τον Humphrey Davy. 2002: Hanfland, Syassen, et al. - η πρώτη ένδειξη εξαιρετικά πολύπλοκης χημείας H. Πίεση νατρίου Davy πάνω από 1 Mbar. Gregoryants (2008) για πιο αναλυτικά στοιχεία. Υπό πίεση, το νάτριο γίνεται εν μέρει δ-μέταλλο!
    53. 53. Έχουμε προβλέψει μια νέα δομή, η οποία είναι ένα διαφανές μη μέταλλο! Το νάτριο γίνεται διαφανές σε πίεση ~2 Mbar (Ma, Eremets, ARO et al., Nature 2009) Τα ηλεκτρόνια εντοπίζονται στον "κενό χώρο" της δομής, γεγονός που καθιστά το συμπιεσμένο νάτριο μη μέταλλο
    54. Η μελέτη των ορυκτών δεν είναι μόνο μια αισθητική απόλαυση, αλλά και μια πρακτικά και θεμελιωδώς σημαντική επιστημονική κατεύθυνση. 41,5 C!
    55. 64. Και ποια είναι η σύνθεση του εσωτερικού πυρήνα της Γης; Ο πυρήνας είναι κάπως λιγότερο πυκνός από τον καθαρό σίδηρο. Στον πυρήνα Fe σε ένα κράμα με ελαφριά στοιχεία όπως S, Si, O, C, H. Νέες ενώσεις (FeH4!) προβλέπονται στα συστήματα Fe-C και Fe-H. Ο άνθρακας μπορεί να περιέχεται στον πυρήνα σε μεγάλες ποσότητες [Bazhanova, Oganov, Dzhanola, UFN 2012]. Ποσοστό άνθρακα στον εσωτερικό πυρήνα που απαιτείται για να εξηγηθεί η πυκνότητά του
    56. 65. Η φύση του στρώματος D” (2700-2890 km) παρέμεινε μυστήριο για μεγάλο χρονικό διάστημα D” – η ρίζα των θερμών ροών του μανδύα MgSiO3 αναμένεται να είναι ~75 vol.% Παράξενο στρώμα D”: σεισμική ασυνέχεια, ανισοτροπία Θυμηθείτε την ανισοτροπία του χρώματος κορδιερίτη!
    57. 66. Η απάντηση βρίσκεται στην ύπαρξη ενός νέου ορυκτού, του MgSiO3 μετα-περοβσκίτη στο στρώμα D" (2700-2890 km) Περοβσκίτης καθώς η Γη ψύχεται D" που απουσιάζει από τον Ερμή και τον Άρη Νέα οικογένεια ορυκτών προβλεπόταν Επιβεβαίωση – Tschauner (2008)
    58. 67. Η δομή της ύλης είναι το κλειδί για την κατανόηση του κόσμου 4. Η κατανόηση του πλανητικού εσωτερικού βαθαίνει 3. Ο υπολογιστής μαθαίνει να προβλέπει νέα υλικά 2. Είναι ήδη δυνατό να προβλέψουμε κρυσταλλικές δομές1. Η δομή ορίζει ιδιότητες
    59. 68. Ευχαριστίες: Οι φοιτητές μου, οι μεταπτυχιακοί φοιτητές και οι μεταδιδακτορικοί μου: Α. Lyakhov Y. Ma S.E. Boulfelfel C.W. Glass Q. Zhu Y. Xie Συνάδελφοι από άλλα εργαστήρια: F. Zhang (Περθ, Αυστραλία) C. Gatti (Η. Μιλάνο, Ιταλία) G. Gao (Πανεπιστήμιο Jilin, Κίνα) A. Bergara (Η. Βάσκες, Ισπανία) I. Errea (Η. Χώρα των Βάσκων, Ισπανία) M. Martinez-Canales (UCL, U.K.) C. Hu (Guilin, Κίνα) M. Salvado & P.Pertierra (Oviedo, Ισπανία) V.L. Solozhenko (Παρίσι) D.Yu. Pushcharovsky, V.V. Brazhkin (Μόσχα) Χρήστες του προγράμματος USPEX (>1000 άτομα) - http://han.ess.sunysb.edu/~USPEX

    Παρόμοιες αναρτήσεις
    Επιστρώσεις βιομηχανικών κτιρίων Τύποι επιστρώσεων και απαιτήσεις για αυτές Δοκοί επίστρωσης βιομηχανικών κτιρίων Επιστρώσεις βιομηχανικών κτιρίων Τύποι επιστρώσεων και απαιτήσεις για αυτές Δοκοί επίστρωσης βιομηχανικών κτιρίων
    El hoist: συσκευή, διάγραμμα και αρχή λειτουργίας Τι περιλαμβάνεται στο ηλεκτρικό μέρος του ανυψωτικού El hoist: συσκευή, διάγραμμα και αρχή λειτουργίας Τι περιλαμβάνεται στο ηλεκτρικό μέρος του ανυψωτικού
    Συνδέσεις Φλαντζωτών Σωλήνων: Τύποι και Εγκατάσταση Σύσφιξη Φλαντζωτών Συνδέσεων Συνδέσεις Φλαντζωτών Σωλήνων: Τύποι και Εγκατάσταση Σύσφιξη Φλαντζωτών Συνδέσεων
    Οι περισσότεροι συζητήθηκαν
    Σχεδιασμός πολυκατοικιών κατοικιών Εργασία με το κλειδί στο χέρι Σχεδιασμός πολυκατοικιών κατοικιών Εργασία με το κλειδί στο χέρι
    Μέθοδοι δοκιμής μετάλλου Τι είδη τεχνολογικών δοκιμών υπάρχουν Μέθοδοι δοκιμής μετάλλου Τι είδη τεχνολογικών δοκιμών υπάρχουν
    Παράξενοι ήχοι στο διαμέρισμα Παράξενοι ήχοι στο διαμέρισμα


    μπλουζα