"В нашем новом методе решается гораздо более амбициозная задача, чем в алгоритме USPEX. Здесь мы не задаем ни точного химического состава, ни даже конкретных химических элементов. Новый метод находит вещества с нужными свойствами, скажем, с максимальной твердостью, из всех возможных сочетаний всех элементов друг с другом, с учетом всех возможных кристаллических структур", – объяснил один из авторов работы, профессор Сколковского института науки и технологий и МФТИ Артем Оганов.
Химики и материаловеды давно думают над методами, с помощью которых можно было бы создавать материалы с определенными свойствами, опираясь лишь на теоретические выкладки и знания о свойствах отдельных химических элементов. Появление подобных технологий станет революцией в промышленности и науке, это должно во много раз ускорить создание новых сверхпрочных, гибких или текучих материалов.
Первый шаг к решению этой задачи, как отмечает профессор Оганов, ученые сделали еще в 2006 году. Тогда его команда разработала алгоритм USPEX, с помощью которого можно быстро и точно вычислять свойства кристаллов разных веществ при самых разных температурах и давлениях, "используя лишь их химическую формулу и названия элементов". Позже российские химики усовершенствовали этот метод, "научив" его работать без заданного состава, а также ускорив его при помощи нейросетевых подходов.
В своей новой работе профессор Оганов и его аспирант Захед Аллахьяри сделали следующий шаг для развития подобных методов. Они разработали алгоритм "менделеевского поиска", MendS. С его помощью искать материалы с нужными свойствами можно во всем бесконечном многообразии потенциально существующих соединений.
В прошлом ученые считали, что эту задачу решить фактически невозможно из-за того, что она очень сложна для вычислений. Однако Аллахьяри и Оганов придумали, как упростить ее, опираясь на несколько простых закономерностей. В частности, ученые заметили, что все возможные вещества можно расположить таким образом, что рядом друг с другом будут находиться соединения с похожими свойствами.
Вдобавок химики ускорили поиски веществ с нужными свойствами в "химическом пространстве", подобном виртуальному. Для этого они использовали основополагающие принципы теории эволюции, в том числе изменчивость, конкуренцию, обмен информацией и естественный отбор. Работу этого метода химики проверили, попытавшись предсказать самый твердый материал.
Их расчеты показали, что подобными свойствами обладает алмаз. Это означает, что материалов тверже него в принципе не должно существовать. Тем не менее ученые предсказали несколько десятков веществ, в том числе соединения бора и ряда металлов, которые будут еще тверже.
