Современные технологии компьютерного моделирования раскрывают перед учеными возможность виртуального создания новых перспективных материалов с нужными свойствами, а заветным ключиком к таким возможностям стало новое направление науки – эволюционная кристаллография, о которой мы расскажем в статье.

Точно предсказать год, день и час, когда будет открыт новый перспективный материал не в состоянии никто. Но немалый прогресс в прогнозировании значимых событий за минувший век все же наметился. Согласитесь, всего какую-то сотню лет назад в числе инструментов для поиска в распоряжении ученых всего то и было, что пласт накопленных знаний и нескончаемые эксперименты, проводимые по наитию. Блестящий пример, широко известный факт об открытии явления сверхпроводимости, за которое Хейке Камерлинг-Оннес получил Нобелевскую премию по физике. В ходе эксперимента ученый заинтересовался, что может произойти со ртутью, если ее охладить до температуры, близкой к 0 градусов по Кельвину. При охлаждении температуры до 4 градусов сопротивление ртути непредсказуемым образом упало до нуля, что и предопределило развитие науки на десятилетия вперед, создание поездов на магнитной подушке, мощных ускорителей частиц со сверхпроводящими магнитами, а уже в наши дни – появлению парящих в воздухе скейтбордов.

Хейке Камерлинг-Оннес

Эволюционная кристаллография – метод, позволяющий при помощи компьютерных алгоритмов открывать и прогнозировать существование абсолютно новых материалов и, впоследствии, реализовать математическую концепцию на уровне практической разработки.

Как создаются новые материалы

Одно из фундаментальных свойств любого процесса, происходящего в окружающей нас природе – стремление к минимизации энергетических затрат. Попробуем представить себе, что наша задача – просчитать устойчивое соединение двух различных видов атомов – хлора и натрия. Как известно из школьного курса химии, таким простейшим соединением является хорошо знакомая нам соль NaCl. Свойства соединения начинают меняться с воздействием на них давления. Так к примеру, обыкновенная соль, при сверхвысоких давлениях способна превращаться в металл. При определенном давлении атомы создают структуру первого поколения, причем атомы в новом соединении при строго определенном давлении займут строго определенное положение, в соответствии с кристаллографическими группами, которых в общей сложности в данном случае насчитывается более 200. Сами кристаллографические группы при этом могут выбираться случайным образом.

После того, как предварительный набор комбинаций получен, из него выделяются структуры с минимальными значениями энергии, после чего приходит черед эволюционных алгоритмов. Если еще относительно недавно для решения поставленных задач посредством случайной перестановки атомов самому мощному компьютеру могли потребоваться миллиарды лет, то с появлением эволюционных алгоритмов время расчетов сократилось на многие порядки. Один из них — алгоритм наследственности, когда смешиваются части различных структур, что позволяет создавать новые структуры, которые оказываются лучше родительских. Это напоминает передачу родительских ДНК потомкам. Так получается второе поколение, после чего в выборку добавляется некоторое число случайно созданных комбинаций и создается третье поколение. Далее алгоритм повторяется до того момента, пока полученные структуры выборки не перестанут изменяться из поколения в поколение. Полученный результат признается лучшей структурой с минимальной энергией.

Описанный выше метод использующий эволюционные алгоритмы позволил спрогнозировать возможность существования устойчивого соединения NaCl7 и целого семейства других материалов, состоящих из атомов натрия и хлора. Данные моделирования, полученные в лаборатории МФТИ были переданы экспериментаторам, которые воспроизведя описанные условия опыта, действительно обнаружили и получили предсказанные материалы.

Новые материалы — новые возможности

Чаще всего весь потенциал возможностей, который заложен в создаваемых материалах предварительно оценить сложно. Простейший пример – графит, которым начиняют карандаши. Его молекула состоит из нескольких параллельных плоскостей, которые, в свою очередь, состоят из атомов углерода, объединенных в напоминающей ячейку футбольной сетки шестиугольной структуре.

Графен

Одно из направлений, привлекших пристальное внимание научного сообщества на протяжении последних десятилетий – “двумерные” материалы в один атом толщиной. Так в 2004 году выпускники МФТИ Андрей Гейм и Константин Новоселов обнаружили, что если “отколоть” от молекулы графита одну шестигранную плоскость, то можно получить новый материал ”графен”, обладающий массой достоинств. За это открытие в 2010 году ученые получили Нобелевскую премию по физике.

Запрещенная зона в графене имеет нулевую ширину. Если отобразить зависимость энергии электронов от их положения графически, то получится фигура, напоминающая песочные часы в виде конусов, соединенных направленными друг к другу вершинами (“конусы Дирака”). Такая зависимость накладывает свое влияние на характер движения электронов, которые движутся со скоростями, сопоставимыми со скоростью света но не обладают при этом инерцией, как будто не имеют массы. Скорость квазичастиц в графене приближается к 10000 км/с, в то время как скорость электронов в обычном проводнике лежит в пределах от сантиметров до сотен метров в секунду. Графен, электроны в котором движутся очень быстро, мог бы стать, к примеру, идеальным покрытием для экрана смартфона, обеспечивающего минимальное время задержки управляющего сигнала. Проблема в данном случае состоит в том, что электроны в графене движутся во всех направлениях с равными скоростями и создать приоритетное направление их перемещения достаточно сложно.

Фаграфен

Несколько позже группа ученых из России, Китая, США, под руководством Артема Оганова – руководителя лаборатории компьютерного дизайна материалов МФТИ опять же, методом компьютерного моделирования предсказала возможность существования нового углеродного двумерного материала, т. н. ”лоскутного” аналога графена, состоящего из пяти-, шести, и семиугольников – т. н. «фаграфена» (Penta-Hexa-heptA-graphene). Результаты исследования были опубликованы в журнале Nano Letters. Ключевую роль в открытии сыграл программный инструмент для компьютерного моделирования, используемого в современной эволюционной кристаллографии — отечественная программа USPPEX (Universal Structure Predictor: Evolutionary Xtallography), созданная на том же факультете физики МФТИ.

В фаграфене, открытом Артемом Огановым и его коллегами с помощью программных алгоритмов USPEX также наблюдаются конусы Дирака, а электроны проявляют свойства безмассовых квазичастиц. Вместе с тем: «… При этом в фаграфене из-за разного числа атомов в кольцах конусы Дирака «наклонены», поэтому скорость электронов в нем зависит от направления. В графене это не так. Это может быть очень интересно для будущих практических применений, где полезно варьировать скорость движения электронов», – пояснил Артем Оганов.

Располагая всеми свойствами графена, фаграфен может служить материалом для изготовления гибких электронных устройств, солнечных батарей, транзисторов, дисплеев и многих других компонентов устройств нового поколения.

Другой интересный пример зависимости свойств материала от структуры кристаллической решетки – сравнение кристаллических структур в решетках графита и алмаза. При равном количестве атомов их взаимное расположение в кристаллической решетке для графита и алмаза различно, что и влечет за собой известную нам разницу в свойствах. Прекрасным подтверждением могут служить материалы с эффектом памяти формы, создаваемые при определенных температурных режимах. При остывании такие материалы легко деформируются, при повторном нагревании – принимают заданную изначально форму. В качестве примера материала с эффектом памяти можно привести нитинол, состоящий из атомов титана и никеля.

Материалы с эффектом памяти могут быть использованы при изготовлении шунтов при переломах костей или, к примеру, втулок для авиационных двигателей.

Медицина

Одно из множества перспективнейших направлений применения эволюционной кристаллографии – медицина, где становится возможным получения недорогих лекарственных составов с нужными свойствами – аналогов дорогостоящим препаратам, выпускаемым монополистами и недоступным для абсолютного большинства пациентов. В данном случае задача метода сводится к поиску конкретного состава доступного лекарственного препарата, обладающего нужными свойствами. И такие препараты уже создаются и патентуются.

Космос

Инновационные материалы, полученные с использованием методов эволюционной кристаллографии находят применение в космосе. Одним из таких материалов может служить кремнеземный аэрогель, называемый по-другому “замороженный дым”, применяемый на космических станциях для улавливания космической пыли. Уникальные свойства этого материала, на 98,8% состоящего из воздуха 15 раз определяли его место в Книге рекордов Гиннеса. Аэрогель способен парить в ксеноне и обладает низкой теплопроводностью.

Аэрогель

Настоящий вызов перед учеными стоит и в связи с популярной ныне темой колонизации Марса. Одна из проблем, которую предстоит решить на пути осуществления этой дерзкой задачи – защита от солнечной радиации. Без легких материалов, аналогичных по своим защитным свойствам толстому слою свинца здесь не обойтись. А значит, создание таких материалов – очередная актуальная задача, решать которую так или иначе сегодня придется методами компьютерного моделирования и эволюционной кристаллографии.

Все чаще специалисты в области эволюционной кристаллографии получают заказы на разработку физико-математической концепции материалов с требуемыми свойствами. Так, например, назревает необходимость в создании магнитов, не содержащих в своей структуре редкоземельных металлов. Такая потребность действительно актуальна и объясняется достаточно просто: 90% существующих месторождений редкоземельных металлов расположено в Китае. Это значит, что по факту полного использования оставшихся 10%, если не произойдет никаких кардинальных изменений в мировой структуре спроса на магниты, роль абсолютного монополиста в перспективе будет отведена Поднебесной со всеми вытекающими последствиями. Но упрощенный алгоритм решения проблемы с задействованием возможностей метода эволюционной кристаллографии нам уже известен: это теоретический поиск новых материалов с хорошими магнитными свойствами, отбор среди них самых устойчивых структур с минимальной энергией и дальнейшая реализация теоретической разработки на практике.