Артем Оганов, теоретик-кристаллограф и один из самых влиятельных российских ученых, выступил перед участниками заключительного этапа Всероссийской олимпиады по химии. Исследователь объяснил школьникам, почему «запрещенная химия» все-таки существует и как можно ее изучать.
Мы публикуем избранные тезисы из лекции ученого перед финалистами олимпиады.
USPEX
Артем Оганов и его научная команда открыли универсальный предсказатель структур на основе эволюционной кристаллографии. Новый метод ученые назвали USPEX (Universal Structure Predictor: Evolutionary Xtallography). Его название точно отражает тот факт, что исследователями сделан огромный шаг к разгадке «нерешаемой» задачи – предсказания кристаллических структур. Например, с помощью USPEX химики обнаружили сверхтвердую фазу бора, побили рекорд сверхпроводимости и добились многого другого.
Эволюционный алгоритм буквально «учится» на собственной истории: компьютер делает несколько попыток и от раза к разу «понимает», как можно улучшить следующую. Настоящий искусственный интеллект! Стоит «рассказать» ему о законах физики, уравнении Шредингера и некоторых критериях отбора, как он начинает выдавать правильные решения.
USPEX точечно тестирует заданную область, прикидывает, где находится зона наиболее перспективных решений, и концентрируется именно на ней. Алгоритм ранжирует возможные решения по стабильности. Наименее стабильные структуры сразу вычеркиваются, а из наиболее устойчивых структур производится потомство, как в естественной эволюции. Шаг за шагом сужая область поиска, USPEX приходит к оптимальному решению. Вот и выходит, что с «нерешаемой задачей» он справляется за весьма короткое время.
Сила алгоритма в том, что можно получить совершенно неожиданные решения: пусть они будут противоречивыми, но превосходящими все существовавшие до этого варианты. Самостоятельно человеческий разум никогда бы к такому решению не пришел.
Новая химия
Ученые расширили эволюционный алгоритм таким образом, что теперь необязательно задавать химический состав – достаточно ввести имена химических элементов. Например, «марганец» и «бор» – и все бориды марганца, которые обладают устойчивыми структурами, можно получить благодаря одному расчету.
При этом, кроме всех известных соединений (MnB , MnB2, MnB4), алгоритм предсказывает MnB3. Согласно расчету, оно устойчиво, но с ним ни разу не сталкивались во время экспериментов. Химики смешали одну долю марганца и три доли бора, расплавили, охладили и проанализировали полученное соединение. Эксперимент дал положительный результат. Иными словами, USPEX предсказал структуру нового соединения.
С помощью эволюционного алгоритма удалось предсказать, а затем и получить экспериментально соединение Mg2C3 и другие. USPEX указывает на великое множество новых соединений, порой с очень странной структурой: они содержат изолированные атомы, пары, тетрамеры, цепочки и так далее.
Давление
Под давлением химия элементов начинает меняться. Возьмем, например, щелочной металл натрий. Шесть лет назад алгоритм предсказал, что натрий под давлением станет прозрачным диэлектриком. И действительно, при давлении в два миллиона атмосфер натрий перестает быть металлом и теряет цвет, становится прозрачным, как стекло. В это сложно поверить, но расчеты подтвердились экспериментально.
В таких веществах, как прозрачный натрий, роль анионов выполняют локализованные электроны. У натрия анионы размещаются не на атомах, они «не размазаны» в пространстве, как у обычного металла. Они локализованы в пустом пространстве. Это происходит из-за сильного смещения атомов под давлением: они «наезжают» друг на друга так сильно, что начинают перекрываться остовные электроны. Выходит, что они выталкивают валентные. И валентным не остается ничего, кроме как занять пустое пространство.
Поверхность
С «запрещенной химией» мы сталкиваемся при экстремальных условиях. Например, мы до сих пор достаточно туманно представляем себе, что же происходит на поверхности вещества. А поверхность – это экстремальное состояние вещества, потому что часть связей у атомов на поверхности оборвана. Атомы чувствуют себя крайне неуютно и пытаются всячески компенсировать оборванные связи. Это определяет реакционную способность веществ, процесс роста кристаллов и многое другое.
Если мы хотим предсказать структуру вещества, то нам следует понять, какие поверхности для него наиболее важны. Например, эту задачу можно сформулировать как предсказание равновесной формы кристаллов: как будет отличаться площадь разных граней? При этом не следует забывать о том, что химический состав поверхности кристалла может отличаться от состава самого кристалла – могут образовываться новые поверхностные соединения.
Чем полезна "запрещенная химия"?
Может ли «запрещенная» химия приносить пользу в быту? Как выясняется, может. Благодаря «запрещенной» химии, например, мы теперь лучше понимаем природу рака легких.
Известно, что у людей, вдыхающих тонкий порошок диоксида кремния SiO2, развивается этот вид рака. Почему это происходит – непонятно, поскольку диоксид кремния – химически нейтральное вещество.
Глобальная причина рака известна – генетические мутации ДНК. Но что приводит к самой мутации? Причиной может быть, например, окисление. И такие ионы как пероксид (О22-) и супероксид (О2– ) приводят к реакциям окисления, которые передаются по цепочке и достигают молекулы ДНК.
Кроме того, «запрещенная химия» нашла способ хранения фтора. Соединения CsF2, CsF3, CsF5 устойчивы при обычном давлении и низких температурах, а если их подогреть, то они распадутся, выделяя фтор. Это намного облегчает хранение и транспортировку фтора. Ведь он очень токсичен, и перевозить его в контейнерах опасно. Но стоит соединить его с цезием, и риск исчезает. Вот такая невероятная, нетрадиционная и противоречивая «запрещенная» химия.
Подготовила Екатерина Каменева
Фото: Булат Хромов
Последняя редакция: 07.04.2015 11:43
