Поиск - новости науки и техники

USPEX по-русски по методу Оганова: завоевать научный мир и вернуться на Родину

Методом Артёма Оганова сейчас пользуются, без преувеличения, во всём мире. Химик разработал инструмент предсказания кристаллической структуры материалов и назвал его громко: USPEX (Universal Structure Predictor: Evolutionary Xtallography).

“Зачем этот русский вернулся? Ведь всё у него было хорошо: своя лаборатория в США, востребованная работа в Китае – за плечами Великобритания, Швейцария…” – этим вопросом задаются, пожалуй, все собеседники русского профессора с мировым именем. В начале беседы. Ну, не привыкли ещё, особенно здесь, в России, к возвращенцам! А потом выясняется, что работает Оганов на одной из ведущих позиций в Сколково, что собрал вокруг себя самых талантливых учёных и студентов, что продолжает заниматься любимым делом, наукой, и даже счастлив! В общем, полный USPEX!

Аудиоверсия

СМОТРИТЕ ТАКЖЕ:

USPEX по-русски по методу Оганова: часть 2. Нахимичил, предсказал – как завоевать научный мир и вернуться на Родину

***

ЧАСТЬ 1

В чем суть Вашего метода?

Оганов: Давайте попробуем на примере гидрида тория. ThH10. При давлении в один миллион атмосфер это вещество будет сверхпроводником при почти комнатной температуре. Предсказанная температура сверхпроводимости – 240 Кельвин. То есть минут 30. Единственная проблема то, что это требует давления в один миллион атмосфер. Но другие рекордные сверхпроводники требуют давления почти что в два миллиона атмосфер. То есть это серьезный выигрыш.

Это технически сейчас возможно?

Оганов: Создать в лаборатории – да. Использовать в каких-то технологиях – нет. Проблема в давлении. И интересно еще то, что это вещество, помимо своих уникальных сверхпроводящих свойств, имеет совершенно неожиданный с точки зрения классической химии состав – ThH10. Классическая химия не предусматривает таких соединений. А под давлением они возникают. И, кстати, вот это соединение, могу вам сказать, оно уже экспериментально получено.

Название метода USPEX – это лингвистическая игра?

Оганов: Это название было некоторой лингвистической шуткой. Дело в том, что в английском языке большая часть слов, которые пришли из русского языка, имеют негативный оттенок – большевик, аппаратчик, Перестройка. Ну, вот спутник хорошее слово там. Но в основном слова такие. Водка. Слова достаточно сомнительные. Я подумал, что хорошо бы ввести в английский язык, ну, по крайней мере, в его научный отдел, какое-то доброе, хорошее слово. Успех – хорошее, доброе слово. Тем более, что метод, который я разработал, это вот самый метод USPEX – очень успешный и решает задачу, которая считалась нерешаемой в принципе на протяжении многих десятилетий. Мы эту задачу решили. Это, конечно, успех.

В чем суть метода?

Оганов: Состоит он в использовании идей эволюции. Вот мы знаем, что эволюция способна решать очень сложные оптимизационные задачи. Решением одной из таких оптимизационных задач являемся мы сами. Просто случайно комбинируя позиции атомов углерода, водорода, кислорода и так далее вы не получите человеческое существо. Вам придется бесконечное время перебирать разны варианты.

Но методом последовательного усовершенствования вы получить человека можете. Природе это удалось. Мы решаем задачи, конечно, гораздо более простые, чем создание оптимального живого существа. Поэтому нам не требуется четырех миллиардов лет на решение этой задачи. Мы решаем это гораздо более быстро. Но, тем не менее, вот задача предсказания структур, в которых, скажем, там 20 и 30 атомов в элементарной ячейке, считались еще совсем недавно абсолютно, запредельно сложными и нерешаемыми в принципе. А сегодня мы их можем решать на достаточно скромных вычислительных ресурсах за день, за два.

Это лабораторные условия или можно задать какие-то конкретные параметры, чтобы получить конкретный материал?

Оганов: В наших расчетах вы сами задаете условия. И с этой точки зрения какие бы в условия ни задали, для компьютера это одинаково сложно или одинаково просто. Например, для моей программы предсказать структуру вещества в ядре Земли ничуть на сложнее, а, скорее, даже чуть-чуть проще, чем предсказать структуру вещества на поверхности Земли. Есть ряд причин, которые делают предсказания при таких экстремальных давлениях чуть-чуть проще в вычислительном смысле, чем при низких давлениях. Вот с температурой сложней, но ее тоже можно учесть. Как и разные другие условия. Те, кто знаком с термодинамикой, поймут, о чем я говорю. Химические потенциалы, электрические поля, магнитные поля. Вот, в принципе, все вот это вот можно учесть и предсказывать структуру вещества при заданных вами условиях.

Любое свойство, которое вы в состоянии рассчитать за разумное не слишком большое время, вы можете оптимизировать с помощью моего метода. Энергия – да. В этом случае вы получаете самую стабильную форму вещества. Скажем, твердость – да. Мы можем ее рассчитывать. В этом случае вы получите самый твердый или, наоборот, самый мягкий вариант структуры. Вы можете комбинировать свойства и оптимизировать одновременно по нескольким свойствам. Например, вы хотите материал, который одновременно и максимально стабилен, и максимально тверд. Это делается с помощью так называемой Парето-оптимизации, или многокритериальной оптимизации, где вы ищете компромисс между двумя или более свойствами. С задачами такого плана мы сталкиваемся постоянно.

Вот, скажем, хотите вы купить автомобиль. Вот этот автомобиль очень дешевый, что хорошо, но скверный. А вот этот вот автомобиль очень дорогой и очень хороший. Цена плохая – характеристики хорошие. А тут характеристики плохие, но цена хорошая. И есть некие промежуточные решения. И вот они все вместе определяют так называемый Парето-фронт, в котором идет оптимальное сочетание и цены, и качества. Например, у нас есть проект очень успешный с Газпромнефтью. Они как раз хотели материалы, которые одновременно и очень твердые, и очень трещиностойкие или, если хотите, износостойкие.

Для бурения?

Оганов: Да. Кстати, такого рода материалы применяются далеко не только в бурении, но и в станкостроении, машиностроении и так далее. Пули, снаряды, медицинское оборудование, скальпели – целый диапазон применения. И вот мы взялись за такую задачу. До сих пор в этих технологиях применялся победит. Это композит на основе карбида вольфрама, в который вживлялся технический алмаз. Ну, тверже алмаза невозможно создать материал. А вот тверже победита можно. Победит – это карбид вольфрама, а наш материал – это борид вольфрама, вольфрам-бор 5, который по своим свойствам значительно превосходит победит. И сейчас  проводятся буровые тесты.

Это, получается, открытие? Оно запатентовано? Кому этот патент принадлежит?

Оганов: Обычно делается так. Если вы совершаете научные исследования под заказ, то патентует заказчик, указывая вас в качестве автора. То есть автор – мы, а правообладатель – Газпромнефть. Был у нас очень успешный проект по предсказанию полимеров с высокой емкостью электрической энергии для гибких конденсаторов. Мы предсказали три новых таких полимера. И эти полимеры были получены. И свойства их были подтверждены. Сейчас они фактически готовы к применению. Есть еще работа, которую мы сейчас ведем по созданию материалов с очень низкой теплопроводностью. Такие материалы нужны, например, для защиты турбинных лопаток от перегрева. Они используются, например, в авиадвигателях, в электростанциях. Турбинные лопатки сделаны из особых сплавов. И КПД вот этой турбины, КПД этой тепловой машины можно увеличить, если вы увеличиваете ее рабочую температуру. Но в этом случае лопатки будут деформироваться и ломаться. И вам нужно либо найти более совершенные сплавы, что само по себе очень сложная задача. Либо эти сплавы защитить термобарьерным покрытием. То есть слоем вещества, которое обладает сверхнизкой теплопроводностью и которое может, скажем, несколько часов выдерживать эту температуру, не нагревая ту подложку, которая под ним.

Это уже есть?

Оганов: Мы сейчас над этим работаем с учеными из Института неорганической химии в Новосибирске. Есть у нас проект с компанией Huawei по созданию материалов с противоположными свойствами – со сверхвысокой теплопроводностью. Там тоже есть всякие интересные результаты. Так что вот прикладные результаты, которые можно было бы воплотить в жизнь.

Нет комментариев