В сознании обывателя кристаллы ассоциируются с красивыми многогранниками, хранящимися в музеях. На самом деле практически все твердые вещества, с которыми мы сталкиваемся, - являются кристаллическими. Их внутренняя структура сложена из периодически повторяющихся атомов материи. Даже наши зубы и кости, даже камни в почках! Вся наша планета из кристаллического вещества.
Найти нужную тропинку
Чем так интересна кристаллография и почему так увлекательно заниматься теоретическим материаловедением, рассказывает известный во всем мире теоретик-кристаллограф, минералог, химик, физик, материаловед Артем Оганов. Этот ученый три года назад получил мегагрант в России и вернулся на родину. На прошедшем в Нижнем Новгороде молодежном форуме он поделился тем, как увлекательно, а главное перспективно, заниматься кристаллографией.
- Впервые люди научились расшифровывать кристаллические структуры при помощи экспериментов, основанных на дифракции (огибание волнами, в том числе электромагнитными, препятствий) рентгеновских лучей чуть больше 100 лет назад. Двигателем этой работы был Уильям Лоренс Брэгг, который вместе со своим отцом Уильямом Генри Брэггом буквально через пару лет после публикации о результатах экспериментов получил Нобелевскую премию.
Его работа помогла сделать другое величайшее открытие XX века - расшифровку структуры молекулы ДНК. Она была произведена с помощью кристаллографического метода дифракции рентгеновских лучей.
Нас учили, что кристаллические структуры принципиально непредсказуемы. Даже просканировав все возможные расположения атомов в пространстве, оценив их энергию и из всего массива структур выделив самую энергетически выгодную, можно получить бесконечное множество вариантов, из которых выбрать необходимый просто так не получится. Не помогут в этом даже все компьютеры мира. Но если найти тропинку, которая ведет к самому устойчивому состоянию, то появляется шанс на решение поставленной задачи.
Я предложил эволюционный метод, в который коллеги сразу не поверили. Теперь же мою разработку используют более четырех тысяч пользователей по всему миру, в их числе такие крупные компании, как «Сони», «Тойота», «Фуджицу». Они пользуются нашим программным комплексом для дизайна новых материалов, который сочетает в себе быстрый алгоритм глобальной оптимизации с квантово-механическими расчетами.
Основная его идея в том, что не следует пытаться прощупать все возможные решения, а сконцентрироваться на наиболее перспективном. Для этого надо найти точку с самой низкой энергией.
Оптимальный вариант
С помощью этого метода был найден ряд интереснейших материалов, например, новая кристаллическая модификация Бора, которая является одним из пяти самых твердых, известных человечеству веществ. Также было выведено, что натрий, который при обычных условиях блестящий металл с очень хорошей электрической проводимостью, под давлением перестает быть металлом и становится… прозрачным. Мы расширили наш метод и научили его предсказывать не только устойчивую структуру по химической формуле, но и саму химическую формулу. Просто задаете химические элементы, ищете, в каком сочетании, в какой пропорции, в какой пространственной структуре они будут более устойчивы.
Таким образом, этот метод позволяет предсказывать то, что не по силам сделать человеческой интуиции. В любом учебнике химии вы найдете, что единственная возможность образовать соединение натрий хлор - это натрий хлор один к одному. При нулевом давлении это действительно единственное стабильное соединение NaCl. Но стоит его повысить, скажем, до 200 тысяч атмосфер, или 20 гПа, то возникает еще одно стабильное соединение NaCl3, а если давление повышать далее, получается и NaCl7, и Na2Cl, и Na3Cl, и Na4Cl3, и Na2Cl3 и т.д.
Итак, если вы хотите изобрести новый материал, то недостаточно брать во внимание одно свойство. Важно добиться его оптимальности по нескольким показателям. Например, электропроводность - стабильность или твердость - легкость - стойкость.
Оптимально создавать семейства материалов, которые реализуют компромисс между нужными вам свойствами. Например, одно чуть-чуть тверже, зато другое чуть-чуть легче. И добиться этого мы придумали при помощи компьютерных вычислений.
Например, нужно создать такой, какой имел бы определенные твердость или электрические свойства. Эти свойства сильно зависят от расположения атомов в пространстве. И нужно выбрать такую структуру, такое расположение атомов в веществе, которые привели бы к желаемому результату. Берете вы, к примеру, углерод и в зависимости от расстановки атомов получаете либо очень мягкий графит, либо очень твердый алмаз.
Только в начале пути
Последняя работа, опубликованная в этом году, касается химии гелия, который всегда считался самым инертным из всех элементов, неспособным образовывать никакие химические соединения. Нам удалось сделать и обнаружить, к своему удивлению, соединение с натрием. Оно исключительно устойчиво в диапазоне от 1 миллиона до 10 миллионов атмосфер. Это практически беспрецедентная по величине область стабильности соединения в одной кристаллической модификации. И это вещество после нашего теоретического предсказания было экспериментально получено.
Новые химические соединения могут иметь широкое применение. У нас сейчас в таблице Менделеева 118 элементов, из них можно сделать около 7 тысяч двойных систем, таких как хром углерод. В каждой двойной системе может быть очень много соединений, а у каждого соединения - бесконечное множество кристаллических структур. А тройных систем - более четверти миллиона! Экспериментаторы изучили всего менее одного процента тройных систем. Для науки материаловедения это огромное белое пятно.
Александра МАХЛИНА. Фото Александра ВОЛОЖАНИНА.