Предсказать материал

Главная задача дизайна новых материалов — компьютерные предсказания. Профессор Сколковского института науки и технологий Артем Оганов встретился со студентами Университета ИТМО и рассказал о своем методе предсказаний USPEX, открытии новых материалов и о том, как во времена войны обычный походный котелок служил аккумулятором.
 

Бедная соль!
Люди научились экспериментально определять кристаллические структуры в 1912 году. Это был прорыв отца и сына Брэггов, за который они в 1915 году получили Нобелевскую премию по физике. Статья об их открытии совсем не похожа на современные научные публикации. В ней нет никаких экспериментальных данных, формул, картинок. Лишь словесное описание структуры алмаза. Для своего открытия они использовали рентгеновскую дифракцию. В 1927 году академик Генри Армстронг в журнале Nature опубликовал статью «Бедная соль!». Он заявил, что структура Брэг­гов «отвратительна здравому смыслу, абсурдна в n-ой степени. Химия это не шахматы и не геометрия, чем бы там ни была физика рентгеновских лучей». Иначе как пасквилем назвать такую статью сложно.

Это USPEX
Если вы знаете кристаллическую структуру, то с помощью стандартных методов, основанных на квантовой механике, можете предсказать огромный список свойств материала. Еще до того как вещество синтезировано, вы можете понять, интересно вам его создавать или нет. Будет оно полезно или нет. Метод USPEX (Universal Structure Predictor: Evolutionary Xtallography) был разработан в 2005 году. Он предсказывает структуру, исходя лишь из знаний химического состава материала. На сегодняшний день его используют несколько тысяч исследователей по всему миру, так как он эффективный и очень надежный. 

Невозможный метод
Многие сказали бы, что главный прорыв в XX веке — определение структуры ДНК. Но мало кто знает, что она была расшифрована младшими коллегами Брэггов в их лаборатории с помощью кристаллографических методов.  Долгое время считалось, что нельзя предсказать структуру простейших кристаллических веществ, зная только химический состав. Однако если знать рентгеновский спектр веществ, то это возможно.

Химия в экстремальных условиях
В конце 2014 года китайские ученые, применив метод USPEX, объявили, что соединение серы и водорода под давлением может образовывать сероводород новой формы H3S, что с точки зрения правил химии невозможно. Получившееся вещество при давлении в 150 ГПа будет обладать очень высокой температурой сверхпроводимости: 200 Кельвинов. 
Через несколько месяцев после публикации статьи гипотеза была экспериментально подтверждена российскими учеными. Тем самым был дан старт исследованиям в этой области — поиску неожиданных веществ, которые могут оказаться сверхпроводниками.

Материал будущего
Термоэлектрики могут революционизировать очень многие отрасли. Они преобразуют тепло в электричество. Когда вы пропускаете ток через элемент, он создает  градиент температур в материале. На основе термоэлектрического эффекта можно, например, улавливать тепло теплоэлектростанций или делать часы, которые бы заряжались от тепла вашего тела. 
Во время Великой Отечественной войны наши партизаны очень сильно удивляли немцев. Они неделями могли находиться в лесах и не переставать пользоваться электроприборами, благодаря тому что заряжали устройства разработкой Абрама Иоф­фе. У многих отрядов были котелки для супов, в которые встроили термоэлектрические элементы. Пока котелок стоял на огне, партизаны заряжали от него свои рации. 
Совсем недавно в Японии выпустили новый продукт — котелки, которые подзаряжают девайсы благодаря термоэлектрическому эффекту. 
Минус заключается в том, что пока  КПД термоэлектриков очень мал. Метод USPEX можно применять для поиска более эффективных термоэлектриков.

Материал опубликован в газете «Мегабайт»