Как проектировать новые материалы с помощью компьютера, что общего между структурой пищевой соли и ДНК человека, почему так сложно вставать по утрам и как это связано с физикой? В рамках проекта МФТИ «Физтех.Читалка» аспирант университета, победитель Science Slam в Москве и научный журналист Олег Фея рассказал «Теориям и практикам», что такое эволюционная кристаллография и почему за ней будущее.

О чем не подозревал голландский ученый

Хейке Камерлинг-Оннес

Хейке Камерлинг-Оннес

Открытие новых материалов — вещь плохо предсказуемая, но безумно интересная. Какую-то сотню лет назад у ученых не было особого выбора, как вести поиски: в ход шло изучение предыдущих научных работ и метод научного тыка. Например, будущий лауреат Нобелевской премии по физике Хейке Камерлинг-Оннес заинтересовался, что происходит с ртутью при низких температурах, и охладил ее до четырех градусов Кельвина. Сопротивление ртути внезапно упало до нуля — так, абсолютно случайно, он открыл состояние сверхпроводимости. Как результат — несколько Нобелевских премий (в том числе самому Камерлингу-Оннесу), создание в наше время поездов на магнитной подушке, гигантских ускорителей частиц со сверхпроводящими магнитами и даже летающих скейтбордов.

Сегодня есть способ предсказывать материалы более осознанно. Ключик к этому — эволюционная кристаллография: это когда с помощью компьютерных алгоритмов можно открыть и спрогнозировать абсолютно новый материал и уже потом воссоздать его на практике. В работе мы используем программу USPEX (Universal Structure Predictor: Evolutionary Xtallography), созданную моим научным руководителем Артемом Огановым.

Чему не научит школьный курс химии

Все в природе стремится к минимизации энергии. Вы замечали, как по утрам нам бывает сложно вставать? Это потому, что энергия лежащего на диване тела ниже энергии тела, идущего на работу. Такие же законы действуют и по отношению к материалу: чем меньше энергия, тем он лучше.

Представьте, что мы пытаемся вычислить устойчивый материал из двух сортов атомов — натрия и хлора. Из школьного курса химии мы знаем, что они объединяются в NaCl — обычную соль. Теперь воздействуем на них давлением: при различных давлениях материалы могут вести себя по-разному. Наши атомы случайным образом создают первое поколение структуры. На самом деле не совсем случайным: атомы занимают положения в соответствии с кристаллографическими группами, которых больше двухсот (вот они уже выбираются случайно).

Энергия лежащего на диване тела ниже энергии тела, идущего на работу

После этого выделяем из них некое число структур с самыми низкими энергиями. Дальше в ход вступают эволюционные алгоритмы. Если раньше на случайные перестановки атомов у самого мощного компьютера могли уйти миллиарды лет, эволюционные алгоритмы позволяют экономить для расчетов гигантское количество времени. Например, есть алгоритм наследственности, когда смешиваются части разных структур. Получается новая структура, которая, скорее всего, будет лучше, чем родительские. Это напоминает передачу ДНК от папы и мамы к детям.

Мы получаем второе поколение и идем дальше, добавляя в подборку лучших структур некоторое число созданных случайно. Опыты показали, что если не будет новой крови, то популяция выродится — совсем как «хоббиты» с острова Флорес. Получаем третье поколение и повторяем алгоритм снова и снова, пока лучшие структуры не перестанут изменяться из поколения в поколение. Это станет сигналом: мы нашли новую лучшую структуру с минимальной энергией. Так с помощью эволюционных алгоритмов было открыто целое семейство материалов, состоящих из атомов натрия и хлора, например NaCl7. Эту информацию передали экспериментаторам, которые и обнаружили новые материалы при указанных условиях. Оказалось, что соль при высоких давлениях превращается в металл.

От экранов смартфонов до лекарств, спасающих жизнь

Бывает, что ученые далеко не сразу понимают, какие возможности дает обнаружение нового материала. Но есть и немало примеров, иллюстрирующих важность таких открытий. Возьмите обычный карандаш. Он состоит из графита, графит — из параллельных плоскостей, а плоскости — из атомов углерода, объединенных в шестиугольники. Напоминает футбольную сетку. Если отколоть одну такую плоскость, получится графен — удивительный материал, в котором, среди прочих достоинств, электроны очень быстро движутся. Из графена получилось бы, например, идеальное покрытие для экрана смартфона, которое бы никогда не тормозило. Правда, скорости электронов в графене одинаковы во всех направлениях, поэтому создать некое выделенное направление, куда потекут электроны, непросто. С помощью эволюционной кристаллографии был открыт новый материал фаграфен (Penta-Hexa-heptA-graphene), состоящий уже из пяти-, шести- и семиугольников, — вот в нем скорости электронов уже неодинаковы по всем направлениям, и теоретически его легче использовать для новых технологий.

Магнит, левитирующий над высокотемпературн...

Магнит, левитирующий над высокотемпературным сверхпроводником, охлаждаемым жидким азотом © Wikipedia

Популярный пример с графитом и алмазом, состоящими из одинаковых атомов, но отличными по их взаимному расположению, показывает, как важно знать кристаллическую структуру. Именно она определяет многие свойства материалов. Взять, например, материалы с эффектом памяти формы. Они создаются при определенной температуре, а впоследствии их можно деформировать при более низких температурах. Если потом наш материал нагреть, он вернется к прежней форме. Самый известный пример — нитинол, состоящий из атомов никеля и титана. Из материалов с эффектом памяти формы делают шунты для больных, сломавших кости, или втулки для авиационных двигателей.

Кстати, возвращаясь к теме медицины. Гигантские корпорации патентуют лекарства и выставляют на них высокие ценники, делая их недоступными для простого обывателя. Но лекарство может иметь те же свойства, даже если его структура немного отличается от первоначальной. Если с помощью эволюционной кристаллографии находить похожие виды материалов с теми же свойствами, можно патентовать новые лекарства. Мой коллега открыл структуру лекарства, значительно облегчающего жизнь пациентов с рассеянным склерозом.

Дым из Книги рекордов Гиннесса и колонизация Марса

Новые материалы находят применение и в космической отрасли. Например, есть такой материал — кремнеземный аэрогель, или замороженный дым. Он на 98,8% состоит из воздуха и раз 15 попадал в Книгу рекордов Гиннесса за свои уникальные качества. Это самый легкий твердый материал: если поместить его в газ ксенон, он будет в нем летать. Дым обладает низкой теплопроводностью. Его используют на космических станциях — с его помощью улавливают космическую пыль.

Аэрогель

Аэрогель

Популярная тема для обсуждения в последнее время — колонизация Марса. Пока что одна из основных проблем, с которой сталкиваются ученые, — солнечная радиация. На Земле нас защищает атмосфера, а за ее пределами еще действует магнитное поле. Но вот в космическом пространстве оно уже не действует, и от солнечной радиации не скрыться. Возможно, выходом могут стать космические корабли из очень толстого слоя свинца, но тогда увеличивается стоимость отправки одного корабля. Или ученые найдут другой подходящий материал — с помощью все тех же компьютерных технологий.

Еще немного об экспериментах

Все чаще появляются конкретные запросы на поиск материалов с определенными свойствами. Простой пример: магниты производят из редкоземельных металлов, 90% которых находятся в Китае. Когда остальные запасы иссякнут, у страны окажется монополия на эти металлы и она сможет поднять на них цены. Хорошо бы открыть магнит, который не будет включать редкоземельные металлы в свой состав. Что предпринимают ученые? Они выбирают материалы с хорошими магнитными свойствами, ищут самые устойчивые структуры с минимальной энергией и снова проверяют их на магнитные свойства. Сначала теоретически, а потом на практике — здорово, когда это работает в связке.

Когда Камерлинг-Оннес открыл сверхпроводимость, он вряд ли думал, что спустя сто лет компания Lexus выпустит летающий скейтборд

Хороший пример — открытие прозрачного натрия. Металл при обычных условиях превращается в прозрачный неметалл при давлении, в два миллиона раз превышающем атмосферное. Изначально необычное поведение натрия было предсказано теоретически, а потом предположение подтвердилось экспериментально.

Когда Камерлинг-Оннес открыл сверхпроводимость, он вряд ли думал, что спустя сто лет где-то в Японии появится поезд, «летающий» со скоростью 603 километра в час (и все благодаря сверхпроводникам), или что компания Lexus выпустит летающий скейтборд. Пусть мы не всегда понимаем, что несут за собой открытия новых материалов, — для науки это важный процесс накапливания научного знания. Кто знает, что появится на базе этих разработок еще через каких-то сто лет.

Не пропустите следующую лекцию: