Сегодня - 16.09.2019

Химия без пробирок:

15 апреля 2015

Перед современной химией открываются революционные перспективы. Так, уже сегодня можно создавать новые материалы за компьютером, не прикасаясь к пробиркам, и ученые размышляют о возможности существования азотно-водородной жизни. Обо всём этом мы поговорили с выдающимся химиком-теоретиком, кристаллографом, профессором, заведующим лабораториями в МФТИ в России, в Университете штата Нью-Йорк в США, доктором наук Артёмом Ромаевич Огановым.

Артем Оганов на выступлении в научном кафе "Эврика!"— Правильно ли я пониманию, что вы создаёте новые материалы, меняя структуру исходных? Как это работает?

— Структура вещества определяет его свойства. Изменяя её, вы можете получать новые материалы. Задача здесь следующая: необходимо перебрать все возможные расположения имеющихся атомов в пространстве и найти то из них, которое обладает наибольшей стабильностью. Однако если делать это обычными способами, ничего не получится. Даже в самом простейшем случае этот процесс займёт порядка тысячи лет на современном суперкомпьютере. Что самое неприятное: с увеличением числа атомов в вашей системе сложность будет расти экспоненциально. По этой причине долгое время считалось, что кристаллические структуры непредсказуема. Мы придумали алгоритм, преодолевающий комбинаторную сложность, который назвали USPEX. Он позволяет не пробовать все возможные варианты, а начать с нескольких случайных, выбрать из них наилучшие и на основе последних сконструировать ещё более совершенные. Таким образом, шаг за шагом мы быстро приходим в область глобального оптимума. Сила этого эволюционного алгоритма в том, что он учится на своей собственной истории: как на успешных, так и на неуспешных попытках. Он как бы сужает область поиска до все более перспективных. С помощью нашего метода мы сейчас можем предсказывать структуры кристаллов, полимеров, наночастиц и даже белков (на сегодняшний день только маленьких, но, мне кажется, я знаю, что нужно делать, чтобы стало возможным работать с большими).

— Эдисон говорил: «Я не потерпел 10 тысяч неудач, я лишь нашел 10 тысяч способов, которые не работают». Вы утверждаете, что с помощью компьютерного дизайна успеха можно добиться в 100 попытках из 100. Как такое возможно?

— Вместо того чтобы идти в лабораторию и совершать эти десятки (а в действительности – нередко и сотни) тысяч неудачных попыток, мы их делаем на компьютере, то есть все они входят в один наш расчёт и благодаря самообучаемости подталкивают систему в сторону поиска оптимума. Найденное решение практически всегда подтверждается экспериментом.

Артем Оганов на выступлении в научном кафе "Эврика!"— Бывает ли такое, что на практике модель не оправдывает себя, потому что известны не все свойства вещества, которое в неё заложено?

— Такое случается, когда вы пользуетесь моделями, основанными на эмпирических данных. Почему так происходит, понятно: вы пытаетесь экстраполировать с нормальных условий на экстремальные. Именно по этой причине в нашей работе мы используем квантово-механические расчеты, которые, в отличие от правил химии, работают и при низких, и при высоких давлениях.

— Из способов воздействия на структуру веществ наиболее перспективный — давление?

— В принципе какие-то удивительные соединения также можно получить, меняя температуру, магнитное и электрическое поля. Но давление даёт, пожалуй, самые впечатляющие результаты, приводит к наиболее экзотичным и удивительным изменениям структуры, состава веществ. Например, под ним сера и кислород становятся  сверхпроводниками.

— Материалы, полученные при высоком давлении, будут сохранять свои свойства в обычных условиях?

— От случая к случаю. Если структура этого вещества сохранится при сжатии, то, скорее всего, да. Если же оно развалится или превратится в какую-то другую структуру — нет. Приведу пример: вы сдавливаете графит, получаете алмаз. Снимаете давление — он по-прежнему остаётся алмазом. Но когда создаёте вещество Na3Cl  — двумерный металл, нарушающий правила химии — стоит вам снять давление, оно разваливается.

— Получается, что химия космоса совершенно иная по сравнению с земной, и то, что работает здесь, бессмысленно там?

— Смотря в каком космосе. В межпланетном пространстве давление низкое и такой проблемы нет. А в недрах планет, звезд —  да. Там состояние вещества очень сильно отличается от того, что мы видим здесь. Если мы хотим экстраполировать последнее на условия ядра Земли, ничего хорошего из этого не выйдет.

Артем Оганов на выступлении в НГУ— Как дизайн новых материалов может изменить быт простого обывателя?

— Когда вы разрабатываете какую-то новую технологию, как правило, критическим шагом, лимитирующим фактором является создание новых материалов. Коммерческие компании и правительства тратят большие деньги на их разработку, потому что методом научного тыка вы тратите время, человеческие и материальные ресурсы без какой-либо гарантии на то, что в итоге искомое будет найдено. Наш подход позволяет создавать новые материалы с нужными свойствами за довольно короткое время. Расходы сокращаются на порядки, это значит, что стоимость технологий  будет ниже, как и цены для конечного потребителя. Можно быстро создавать новые лекарственные формы. К тому же от новых материалов сильно зависят оборонные технологии. Здесь фактор времени критичен.

— А науку? Вы говорили, что опыты с давлением  позволят создать азотно-водородную жизнь…

— Мы не утверждаем, что неуглеродная жизнь существует, но, на наш взгляд, есть некоторые предпосылки к возможности её образования. Основное условие, не единственное, но, пожалуй, самое трудновыполнимое: чтобы из небольшого числа элементов можно было бы создать огромное количество соединений, способных существовать достаточно длительное время. Оно блестяще выполняется для углерода: мы знаем огромную органическую химию, где-то порядка 10 миллионов соединений. Нами обнаружено, что под давлением химия азото-водородов становится более разнообразной и богатой, чем химия углеводородов, а это почти наверняка означает, что с добавлением дополнительных элементов, таких как кислород, сера и так далее можно получить колоссальное химическое разнообразие.

Артем Оганов на выступлении в НГУ— Несколько месяцев назад вы переехали в Россию. С чем связано это решение, особенно если учесть, что наука у нас сейчас переживает не самые благоприятные времена?

— Я придерживаюсь убеждения, что если вы можете хорошо работать и хорошо жить как дома, так и не дома, то делать это надо дома. Мне предложили работу с хорошей зарплатой, с хорошим финансированием моих исследований,  я согласился. На мой взгляд, в российской науке последние несколько лет наблюдается подъём. Другое дело, что ситуация в целом с экономикой сейчас не очень хорошая. Возможно, в этот момент я ещё больше нужен здесь. Но если честно, я очень боюсь российских бюрократов – значительный их процент своим непрофессионализмом, инертностью могут помешать восстановлению науки. Это те люди, которые могут полностью  отбить желание что-то делать и вообще находиться в стране. Но пока что с этим больших проблем нет.

Беседовала Диана Хомякова

Фото: Булат Хромов, Сергей Ковалев

Интервью подготовлено в партнерстве с научным кафе «Эврика!»
 

Ваша оценка: Нет Средняя: 4 (2 votes)
Поделись с друзьями: 
 

comments powered by HyperComments

Система Orphus