Сегодня - 19.04.2021

Эволюция против научного тыка

12 января 2016

До недавнего времени материаловедение развивалось спонтанно. Исследователи брали разные вещества, смешивали их буквально «на глазок» и смотрели, какой состав можно получить и какими он будет обладать свойствами. Развитие компьютерной техники позволило вывести этот процесс из лабораторий в дата-центры: теперь ученые просчитывают новые материалы с помощью математического аппарата.

 
Олег Фея
 
Свойства субстанции во многом определяются ее кристаллической структурой. Например, графит и алмаз состоят из одних и тех же атомов — углерода — но упакованных по-разному, что влияет и на их качества: один мягкий, ломкий и черного цвета, а другой — самое твердое в мире вещество и прозрачен, как стекло. 
 
— Однако если вы решите подарить своей возлюбленной кольцо из графита, она не оценит, и объяснение, что он состоит из одинаковых с бриллиантом атомов, не поможет. Информация — 100%, — смеется аспирант Московского физико-технического института и победитель Science Slam (Москва) Олег Фея. 
 
Структура влияет не только на твердость материала, но и на его форму. Существуют даже вещества с «памятью», которые при изменении условий, например, при нагреве, могут вернуть себе исходные конфигурации. Такими свойствами обладает нитинол — состав из никеля и титана. Подобные материалы можно использовать в разных сферах: для изготовления авиадвигателей, закрылков самолетов, протезов, лечения зубов и так далее. Очень интересными качествами наделен кремнеземный аэрогель: он твердый и легкий одновременно (настолько, что если его поместить в газ ксенон, будет в нем парить), к тому же имеет низкую теплопроводность и на 98,8% состоит из воздуха. Его сейчас используют для того, чтобы ловить космическую пыль. Кристаллическая структура также определяет оптические свойства. Например, плеохроизм — способность вещества менять свой цвет при изменении угла падения света — есть у турмалина. 
 

Существует предположение: французскую армию подкосили не столько военные действия, сколько бои с морозом. Все дело в том, что у солдат Бонапарта запонки и застежки на кителях были из белого олова, а оно при температуре ниже плюс 13 ̊С начинает превращаться в серое хрупкое. При минус 30 ̊С распад металла происходит взрывным образом. Этот процесс называется фазовый переход — бета-олово становится альфа-оловом. Если бы у императора был кристаллограф, он бы сказал: «Наполеон, при плюс 13,2 ̊С бета-олово станет альфа-оловом, давай сделаем медные запонки». И неизвестно, как бы повернулась история! 

 
— Как же открывать материалы? Структуру веществ раньше определяли по рентгеновским лучам. Я хоть и проходил такие лабораторные работы у себя в университете, не всегда могу сказать по этим точечкам, каким образом будет выглядеть кристалл. А экспериментаторы могут! Например, именно таким способом расшифровали структуру несоразмерного (то есть включающего атомы двух типов) кристалла рубидия, где рубидий-1 — жесткая система, рубидий-2 — пластичная (частицы можно немного смещать, от чего значительно меняются свойства), — говорит Олег Фея. — Как же искать материалы с помощью компьютера? Задача стоит в том, чтобы посчитать состояние, в котором у атома будет самый минимум энергии. Объясню на собственном примере. Я достаточно ленивый, и у меня дома есть кресло. Если я сажусь в него, то мне потом не очень хочется вставать, а все дела кажутся не важными — это локальный энергетический минимум. Есть еще диван. Вот если я ложусь на диван, то там теряю уже полдня, потому что вставать нет желания совсем. Это — глобальный энергетический минимум. Ученым нужно найти атомы, «сидящие на диване». 
 
Слушатели лекции
 
Если делать это методом обычного перебора, то потребуется очень много времени. Например, даже при условии, когда энергию одного атома, у которого есть только один способ изменения, компьютер считает за одну секунду, то для десяти частиц потребуется тысяча лет, а при увеличении количества атомов до 20 — сто миллионов миллиардов лет! К сожалению, возраст нашей Вселенной всего 13 миллиардов лет, поэтому сомнительно, что на компьютере можно просчитать все варианты этих частиц. Здесь на помощь ученым приходят эволюционные алгоритмы. 
 
— Я расскажу, как они работают, на примере кенгуру. Представим: нам нужно найти самую высокую точку на земле с помощью кенгуру. Мы высадим их на равнине и разрешим размножаться, они заполонят ближайшие холмы и небольшие горы, а потом через некоторое время придет охотник отстреливать тех, кто находится в низинах. В итоге, кенгуру будут забираться всё дальше в горы, следующее потомство сумчатых будет знать, что где-то там внизу есть человек с ружьем, поэтому надо забираться выше. Значит, вот так, отстреливая и отстреливая кенгуру, можно добраться до последнего животного в самой верхней точке, — поясняет Олег Фея. 
 
Для кристаллов ученые, а точнее российский теоретик-кристаллограф доктор технических наук Артем Ромаевич Оганов, придумали аналогичный эволюционный метод, на основе которого была создана программа USPEX (Universal Structure Predictor: Evolutionary Xrystallography). Как она работает? Сначала случайным образом создаются кристаллы, например, 50 комбинаций, ученые считают для них энергию и признают, что первое поколение было не очень удачным. Тогда берутся два «родителя», от каждой структуры отсекается половинка атомов, они смешиваются, и получается новая структура, объединяющая свойства своих предков. Таким образом исследователи используют операторы наследственности. Есть и другие, например, мутация — ячейка материала меняется случайным образом, или координатная мутация, когда несколько атомов переставляются. В результате каждое поколение становится всё лучше и лучше. И так продолжается, пока не будет найдена самая низкоэнергетическая структура. Для таких расчетов требуется не 1000 лет, а всего лишь несколько недель. С помощью этой системы было открыто множество новых веществ, в частности, ряд материалов, возникающих при высоком давлении. 
 

Самый первый, наверное, ударно-волновой эксперимент под давлением был описан в Библии. В нем принимают участие снаряд — камень, ускоритель — праща, экспериментатор — Давид и мишень — череп большого воина Голиафа. Президент РАН академик Владимир Евгеньевич Фортов посчитал, что для создания отверстия в голове Голиафа, потребуется давление 0,15 гигапаскаль (примерно 1500 тыс. обычных земных атмосфер). 

 
С помощью USPEX был открыт материал под названием «фаграфен» — родственный графену, в котором скорость электронов зависит от направления (тогда как в веществе, отмеченном Нобелевской премией, она во все стороны одинакова). Или некоторые сочетания натрия и хлора, возможные при высоких давлениях, например, NaCl7, полученный по результатам компьютерных прогнозов в лаборатории. 
 
Эволюционный метод позволяет предусмотреть не только вещества и условия их образования, но и свойства. Например, поверхностей. Их начали изучать не так давно: первую Нобелевскую премию за это получил Альберт Эйнштейн в 1921 г., и до 70-х гг. это была сложная и малопонятная сфера исследований, доступная немногим. Создано огромное количество микроскопов различных видов, в конце концов, появился сканирующий туннельный микроскоп, который позволяет оперировать отдельными атомами. Однако те же манипуляции можно проводить и на компьютере с помощью специальной программы. 
 
Олег Фея иллюстрирует лекцию опытом
 
— Чем же поверхности так сложны? Дело в том, что атомы в объеме чувствуют себя очень комфортно, они «сидят на диване» в окружении соседей, и их энергия минимальна. А если кристалл рассечь, то на поверхности атомы разлучаются друг с другом. Можно использовать такое сравнение: если семьи разделяются, каждый родственник ощущает себя плохо, пытается что-то сделать, чтобы найти пропавших. Так поступают и частицы, — рассказывает Олег Фея. — Как атомы будут компенсировать свою «душевную боль» от того, что они разлучились с другими? За счет реконструкции, то есть они будут менять свое расположение так, чтобы рядом с ними оказалось как можно больше других родственников. На картинке это выглядит очень красиво. И если после обрезки у атома было, например, 49 обрубленных связей, то после реконструкции — уже только 19. 
 
— От свойств поверхности зависят и канцерогенные качества материалов. Я изучаю кремнезем: он используется в часах, украшениях, микросхемах, но люди, непосредственно контактирующие с ним на производстве, страдают силикозом легких и онкологическими заболеваниями. Но не все формы кремнезема одинаково опасны, например, кристобалит и кварц — канцерогены первой группы, то есть вдыхая их, человек с большой вероятностью приобретет недуг. А стишовит не имеет таких эффектов, — говорит Олег Фея.   
 
У ученых есть гипотеза, почему так происходит: легкие состоят из большого количества альвеол — малюсеньких пузырьков, каждый из которых изнутри выложен слоем сурфактанта — слизи, не дающей легким слипаться и выполняющей определенные защитные функции. Вероятно, что-то проходит через этот барьер, добирается до клеток и разрушает их. Есть гипотеза, что это делают свободные радикалы (молекулы, у которых не хватает электронов). Особенно агрессивны в таком качестве атомы кислорода. При взаимодействии они пытаются недостающий электрон получить, и таким образом могут разрушить клеточную мембрану или вызвать мутацию, приводящую к раку. 
 
— В своей работе я обнаружил, что кварц и кристобалит действительно содержат такие радикалы, а стишовит — нет. То есть в зависимости от конфигурации поверхностный слой вещества может быть опасным и канцерогенным, — объясняет Олег Фея. 
 
Записала Юлия Позднякова
 
Фото автора
 
Лекция о поиске и предсказании новых материалов состоялась в 2015 году в рамках фестиваля науки Eureka!Fest в Новосибирске 
 
Ваша оценка: Нет Средняя: 5 (1 vote)
Поделись с друзьями: 

Система Orphus