Философский камень XXI века

Много веков назад древние ученые-алхимики мечтали научиться превращать одни вещества в другие. Из свинца сделать золото и стать сказочно богатыми. К сожалению (или к счастью), тогда никто так и не смог приблизиться к созданию философского камня.

Однако определенные успехи делают наши современники. Материаловеды, химики, кристаллографы и другие ученые научились синтезировать химические вещества и материалы практически из воздуха.

Причем, чтобы создать материал с нужными свойствами, больше не нужно действовать методом проб и ошибок, проводить множество реальных экспериментов. Ученые из «Сколтеха» создали USPEX (Universal Structure Predictor: Evolutionary Xtallography) — метод теоретического предсказания новых материалов с заданными свойствами.

USPEX может предсказывать не только стабильную структуру для заданного химического соединения, но и всевозможные стабильные химические соединения для заданных элементов.

Если говорить о структурах вещества, то самая стабильная — та, у которой энергия меньше всего. Значит для ее предсказания нужно найти расположение атомов с наименьшим значением энергии.

USPEX — эволюционный алгоритм, напоминающицй биологическую эволюцию. Случайным образом генерируется  первое поколение структур. Каждая структура в этом поколении должна быть локально оптимизирована. То есть нужно двигать атомы до тех пор, пока силы, действующие на них, не станут равны нулю, пока система не придет в локальное равновесие. Затем полученные наименее выгодные варианты отбрасываются — обычно это 40% популяции,— а оставшиеся структуры становятся прародителями нового поколения структур.

Его создают двумя классами методов. Первый — наследственность, когда скрещиваются два «родителя» из популяции, и элементы структур «родителей»  переносятся в «потомство». Второй тип — мутация, когда вы берете одну структуру и производите из нее «потомка» путем достаточно больших возмущений некоторых координат. Например, меняете атомы местами.

Новое поколение структур тоже локально оптимизируется, отбраковываются худшие, создается «потомство» и так, поколение за поколением. Расчет останавливается только тогда, когда после достаточно большого числа попыток ничего больше не улучшается. В таком случае специалисты считают, что задача решена и они нашли абсолютный глобальный минимум энергии. Энергии, кстати, рассчитываются в большинстве случаев квантово-механическими методами. Это самое точное, что существует на сегодня.

С помощью USPEX специалисты активно работают над поиском новых термоэлектрических материалов — а это важно для превращения тепловой энергии в электрическую, а также для технологий быстрого охлаждения. Если говорить об атомной промышленности, то в первую очередь это будет полезно для создания радиационно стойких материалов, но рассчитывать радиационную стойкость ученые пока не научились. Надеемся, что совсем скоро наши талантливые коллеги решат и эту задачку. 

0 комментариев

Оставить комментарий