Простір нових матеріалів

«Про цю нашу роботу багато писали. Я з цікавістю стежив за виходом нотаток і в одній з них з подивом прочитав про себе як про молодого перспективного аспіранта, — розповів «ПМ» професор Сколтеха і МІСіС, член Європейської академії, дійсний член британського Королівського хімічного товариства і Американського фізичного товариства Артем Оганов. — Повідомляли також, що ми «винайшли» нову Періодичну таблицю. Це, звичайно, сильне перебільшення. Але робота дійсно вийшла дуже красива, як коротка вишукана пісенька «.

У міру того як хіміки відкривали все нові елементи і відомих стало настільки багато, що пам’ятати характеристики кожного вже було занадто складно, вчені почали замислюватися про можливість розташувати їх у певному закономірному порядку, послідовності, яка відображала б їхні властивості. Наприкінці XIX століття це призвело до створення таблиці Менделєєва, який упорядкував елементи, виявивши періодичну зміну їх властивостей зі зростанням атомної маси. У таблиці елементи організовані в періоди і об’єднані в групи з близькими характеристиками: шляхетні гази, галогени, лужні метали тощо. Однак, якщо вивчити питання детальніше, можна виявити, що це не єдиний спосіб розташування елементів.

У Менделєєва сусідять настільки несхожі елементи, як фтор (найактивніший неметал), неон (інертний газ) і натрій (один з найактивніших металів). Властивості елементів та їх з’єднань при збільшенні атомного номера занадто різко змінюються. Якщо б елементи вдалося розташувати так, щоб мінімізувати ці стрибки, то з’єднання з сусідніх елементів мали б схожі властивості — і, наприклад, всі надтверді матеріали були б згруповані в одну область «хімічного простору».

У середині 1980-х цією проблемою зайнявся великий оксфордський фізик Девід Петтифор. Намагаючись передбачити кристалічну структуру, яку утворює те чи інше з’єднання, він розташував елементи в певному порядку по координатних осях. Отримана сітка нагадувала турнірну таблицю, в яку занесені результати зустрічей суперничаючих команд: бінарним з’єднанням елементів відповідали точки на перетині координат. Однак якщо в таблиці елементи впорядковані «по-менделєєвськи», по їх атомних масах, то кристалічні структури групуються в пунктир періодично повторюваних острівців. І те ж саме відбувається з властивостями матеріалів.

«Це красиво, але непрактично, — пояснює Артем Оганов. — Якщо ми хочемо шукати нові матеріали з потрібними властивостями, потрібно позначити область пошуків, звести» хімічний ландшафт «до більш зручної гладкої топології. Потрібно розташувати елементи так, щоб схожі за властивостями з’єднання знаходилися поруч один з одним, утворюючи кілька великих «островів» замість «архіпелагу» з безлічі дрібних. Це дозволить визначити області, де групуються корисні властивості, і звести пошук нових речовин саме до них «.

Орієнтуючись на кристалічні структури, Девід Петтіфор знайшов нову послідовність і розташував елементи по-своєму. У такому ряду положення елемента визначається не атомним номером, а особливим числом, яке британський вчений назвав «менделєєвським». «Ця назва виявилася одночасно і вдалою, і невдалою, — коментує професор Оганов. — З одного боку, вона відсилає до Періодичної таблиці. З іншого — багато хто, почувши про менделєєвські числа, спочатку плутає їх з порядковими номерами елементів «.

На відміну від Періодичної таблиці послідовність елементів на шкалі Петтифора починається не з водню, а з гелію. Далі зверху вниз йдуть благородні гази, від неону до радону, а знизу вгору — лужні метали, від франція до літію. «Десь Петтифор перескакував з групи на групу, десь довільно викидав і переставляв елементи, — продовжує Артем Оганов. — Як і чому вони розташовуються так, а не інакше, пояснення не було. Однак менделєєвські числа працювали. Це давало вченим стимул постійно уточнювати ці числа і шукати фізичний сенс нової концепції «.

Насправді, менделєєвські числа Петтифора дозволили згрупувати з’єднання елементів в досить чітко окреслені групи. «Прийом діє і для інших властивостей, дозволяючи знаходити» острови «зі схожими характеристиками: тут надтверді речовини, а там — надм’які, тут магнітні матеріали, а ось тут — особливо стійкі інтерметаліди, — розповідає професор. — Однак досі ці закономірності не знаходили теоретичного пояснення. Менделєєвські числа залишалися емпіричними і, якщо хочете, езотеричними, оскільки було абсолютно незрозуміло, звідки вони взялися і яким фізичним змістом володіють «.

«У мене такий стиль роботи: я збираю питання, а потім на них не відповідаю, — ділиться вчений. — Загадка фізичного сенсу менделєєвських чисел крутилася у мене десь на підкірці більше десяти років. І тільки потім я здогадався, як визначити ці числа, виходячи з найбільш фундаментальних характеристик атома, таких як його радіус, електроотрицательность і поляризуваність. Саме цими трьома властивостями, відповідно до закону Гольдшмідта, визначається кристалічна структура, а з неї йдуть і інші параметри «.

Електроотрицьовість і поляризованість сильно корелюють один з одним, і для простоти другу характеристику можна не враховувати. Два параметри, що залишилися, — радіус і електроотрицательность — за допомогою найпростіших математичних перетворень також можна звести до одного. Лінійне перетворення призводить до нових координат: головною (це і є менделіївське число, і воно описує основну варіацію властивостей) і другорядною, їй перпендикулярною. «Ця головна змінна, яка отримується з базових властивостей елемента, виявилася найкращим способом визначення всіх його характеристик одним-єдиним числом, — додає професор Оганов. — Це і є менделєєвські числа. У наших розрахунках вони виявилися близькі до тих, які намацав Петтифор, але працюють ще краще «. Вчений продовжує: «Візьмемо бази даних з властивостями з’єднань — твердістю, намагниченістю, енергіями атомізації, енергіями освіти тощо. Всі ці властивості можна перевірити в хімічному просторі і виявити, що отримані числа спрацьовують майже завжди. Тверді з «єднання оточують тверді, немагнітні — інші немагнітні тощо».

Алгоритм, який шукає нові матеріали з потрібними властивостями, вчені назвали менделєєвським пошуком. «Насправді ми почали застосовувати цю концепцію раніше, ніж описали її в окремій статті, — пояснює Артем Оганов. — Вона вже включена в еволюційні алгоритми, які перебирають перспективні з’єднання. Правда, всередині алгоритму ми не зводимо всі характеристики до одного числа, а використовуємо атомні радіуси та електроотрицательности. Комп’ютеру не потрібно такої простоти і наочності, як людям «.

Спираючись на розроблену концепцію, Оганов і його колеги вже знайшли ряд «островів» з’єднань з цікавими властивостями. Менделєєвський алгоритм підтвердив, що найтвердішою речовиною є алмаз, і передбачив кілька можливих нових надтвердих матеріалів. Також вдалося припустити існування низки речовин з хорошими магнітними властивостями і знайти кілька перспективних термоелектриків.

«Можна провести пошук матеріалів з певною температурою плавлення, нових діелектриків і так далі, — міркує професор Оганов. — Шкода, що розрахунки надпровідності поки занадто витратні і вимагають довгих годин роботи суперкомп’ютера, тому доводиться спиратися на інтуїцію і спеціально підібрані склади для такого перебору. Але коли вдасться полегшити обчислення, будемо шукати цим методом і надпровідники «.