Ученые из Сколковского института науки и технологий раскрыли физический смысл загадочных менделеевских чисел и предложили метод их расчета из фундаментальных свойств атомов. Им удалось показать, что такие менделеевские числа и построенное на них химическое пространство более эффективны, чем предлагавшиеся до сих пор эмпирические варианты.

Результаты поддержанной грантом Президентской программы Российского научного фонда работы представлены в The Journal of Physical Chemistry С.

Уже сейчас известно великое множество соединений, а гипотетических химических веществ еще больше. Перед учеными стоит важная задача — систематизировать огромный массив данных и понять, какие соединения интересны с точки зрения того или иного свойства. Экспериментально измерить или теоретически рассчитать свойства всех возможных соединений нереально. Ученые давно пытались придумать систему предсказания свойств веществ по их химическому составу, и одной из концепций стало химическое пространство.

По сути, вещества помещаются в координатную систему, где по осям неким образом отложены химические элементы — так, чтобы соседние элементы и соединения обладали похожими свойствами. Впервые такой способ предложил в 1984 году британский физик Дэвид Петтифор, приписавший каждому элементу некие числа («менделеевские числа»), смысл и происхождение которых были неясны.

Имея такое химическое пространство, можно было бы создать алгоритм поиска наилучшего материала из всех возможных соединений всех элементов. Для создания такой «умной» карты ученые из Сколковского института науки и технологий придумали свой универсальный подход, который имеет самую большую предсказательную силу среди наиболее известных систем такого типа.

«Я лет 15 думал над тем, что же такое эти менделеевские числа, — рассказывает руководитель проекта Артем Оганов. — В конце концов я понял, что в их основе наверняка лежат фундаментальные характеристики атомов: радиус, электроотрицательность, поляризуемость и валентность. Валентность у многих элементов непостоянна, а поляризуемость очень сильно коррелирует с электроотрицательностью — поэтому остаются две характеристики, атомный радиус и электроотрицательность. Эти два свойства можно свести к одному простым математическим преобразованием — и мы получаем менделеевские числа. Стало ясно: эти величины есть ни что иное, как наилучшее описание всех свойств атома одним числом».

Карта твердости соединений

На основании рассчитанных менделеевских чисел ученые расположили все элементы в соответствующем порядке. Ряд стал и осью абсцисс, и осью ординат, а каждой точке в пространстве присвоили значение для определенной характеристики — например, магнитной или механической — из открытых баз данных. В итоге получились карты свойств, где очень хорошо выделяются области, где расположены наиболее перспективные соединения (сверхтвердые, магнетики и прочие).