Как искать материал, которого ещё нет в лаборатории

Знать химический состав вещества ещё недостаточно. Важно понять, как расположены его атомы: от этого зависят свойства материала. Но как выбрать структуру, если возможных вариантов слишком много для проверки в лаборатории?

Этой задачей занимается Артём Оганов — заслуженный профессор Сколтеха и руководитель лаборатории дизайна материалов. Вместе с коллегами он развивает USPEX — метод, который помогает предсказывать кристаллические структуры на компьютере.

Один из его подходов устроен как эволюционный отбор. Программа создаёт варианты расположения атомов, рассчитывает их энергию при заданных условиях и отбирает перспективные. Их фрагменты используются для новых вариантов. Поиск продолжается из поколения в поколение.

Расчёты помогают отобрать кандидатов для следующего этапа — лабораторной проверки. Это особенно полезно, когда эксперимент требует высокого давления или сложного оборудования.

В 2013 году Оганов и международная команда показали это на натрии и хлоре. В обычной поваренной соли на один атом натрия приходится один атом хлора. Расчёты USPEX предсказали соединения с другими соотношениями. Два из них затем получили в эксперименте при высоком давлении, нагреве и добавлении избытка натрия или хлора.

Расчёт — ещё не полученный материал. Следом нужно проверить, можно ли его изготовить, какими свойствами он обладает и пригоден ли для производства. Между удачной моделью и деталью самолёта остаётся большая работа.

Но уже на первом этапе меняется сама постановка задачи: эксперимент начинается с более узкого и обоснованного списка кандидатов.

19–20 ноября Сколтех проводит онлайн-школу USPEX с лекциями и практическими занятиями. В её программе — и предсказание структур, и поиск материалов с заданными свойствами. Современная химия вполне может начинаться с работы за компьютером.

USPEX — объяснение разработчиков Натрий и хлор: статья в Science, 20.12.2013 Школа USPEX 19–20 ноября: программа