Анализ всей таблицы Менделеева при помощи уникальных алгоритмов позволил химикам их МФТИ и «Сколтеха» подобрать список кандидатов на роль полноценной замены для алмазов в буровых установках и прочих инструментах. Описание возможных «убийц бриллиантов» было представлено в Journal of Applied Physics .

«Мы создали своеобразную дорожную карту, которая поможет нашим коллегам-экспериментаторам выбрать удачные направления для поисков новых сверхтвердых материалов. Вычислительные методы помогут нам упростить эти поиски, сделав их более точными, дешевыми и быстрыми», — заявил Александр Квашнин, сотрудник «Сколтеха» и Московского Физтеха.

Химические свойства, структура и многие другие характеристики всех сложных и важных для человека молекул определяются тем, как взаимодействуют друг с другом их атомы, как устроены их электронные оболочки и как различные внешние факторы, такие как температура и давление, влияют на все эти вещи.

Несмотря на то, что «работой» всех этих элементов молекул управляют достаточно простые физические законы, в том числе принципы квантовой механики, предсказать их свойства или поведение крайне сложно. Это связано с тем, что сложность расчетов резко растет с добавлением каждого нового электрона, из-за чего свойства даже простых кристаллов и молекул почти невозможно просчитать даже при помощи самых мощных суперкомпьютеров.

Известный российский химик Артем Оганов решил эту проблему еще в 2004 году, создав эволюционный алгоритм USPEX, позволяющий быстро и точно вычислять свойства кристаллов разных веществ при самых разных температурах и давлениях, «используя лишь их химическую формулу и названия элементов».

За последующие годы Оганов, а также четыре тысячи других ученых, использовали этот алгоритм для открытия огромного множества практически полезных и просто интересных веществ, в том числе необычных сверхпроводников на базе урана, чрезвычайного прочного материала из вольфрама, «идеальной взрывчатки» из атомов азота и хрома, а также многих других материалов.

В своей новой работе Оганов, Квашнин и Захид Аллаяри (Zahed Allahyari), аспирант «Сколтеха», использовали новую версию USPEX для решения еще более серьезной задачи – поиска материала, который бы не уступал алмазу по твердости и износостойкости.

© «Сколтех»/Александр Квашнин / «Карта» поисков сверхтвердых материалов, не уступающих алмазам

В этих поисках ученые использовали не конкретные комбинации элементов, а фактически всю таблицу Менделеева, перебрав комбинации самых разных элементов в попытках найти достойную альтернативу «главным друзьям девушек».

Пока ни один из уже известных и предсказанных учеными материалов не может приблизиться к алмазам по твердости или стойкости к повреждениям. Тем не менее, некоторые из ранее неизвестных веществ оказались достаточно перспективными для того, чтобы попытаться их синтезировать.

При этом, что самое важное, свойства всех известных сверхтвердых материалов были предсказаны с точностью, превышавшей 90%, что означает, что алгоритм работает очень точно. Это позволяет использовать его для дальнейших поисков подходящего «претендента» на трон самого твердого и прочного материала.

К примеру, ученые неожиданно обнаружили подобные свойства у гидрида марганца, материала, который, как считали Оганов и его коллеги, не мог обладать твердой фазой. Тем не менее, он оказался более твердым, чем стишовит, сверхтвердая форма двуокиси кремния, возникающая при ударах метеоритов, хотя и несколько менее износостойким.

Как отметил Квашнин, сейчас он участвует в проекте по синтезу пентаборида вольфрама, одного из сверхтвердых веществ, наиболее близких по своим характеристикам к бриллиантам. Он надеется, что эти опыты, а также последующие расчеты при помощи USPEX, помогут ученым понять, что именно управляет твердостью и прочностью разных материалов и создать достойного конкурента для алмазов.