— Этот подход многие уже окрестили революционным. Но как, собственно, работает метод?
— Революционным его окрестили по созвучию с тем, как мы, разработчики, его называем — эволюционным. Схема очень схожа с той, которая действует в живой природе, — строго выстроенная. Ее-то мы и попытались повторить. При создании новых материалов можно действовать двумя путями. Первый — перебирать все возможные комбинации атомов в кристаллической решетке. Но проблема в том, что число вариантов в структуре астрономически велико. Если у нас всего 10 атомов в повторяющейся структурной единице, то будет порядка 100 миллиардов структурных вариантов, и вам потребуются сотни лет, чтобы пробежать по этим вариантам на лучшем суперкомпьютере мира. Если мы рассматриваем 20 или 30 атомов, то в этом случае для решения одной-единственной задачи потребуется больше времени, чем возраст Вселенной.
Тогда мы придумали эволюционный метод. Начинается все с того, что компьютер вслепую опробует различные решения. Они, как правило, достаточно плохие, но из них он выбирает наиболее перспективные, из которых производятся новые, дочерние. Из них снова отсеивает худшие, а лучшим дается право производить потомство. Из него автоматически опять же отсекаются худшие и поощряются лучшие. Так постепенно мы приближаемся к цели — оптимальному решению.
— И сколько по времени занимает этот процесс?
— Полный квантово-механический эволюционный расчет с максимальным уровнем строгости находит структуру алмаза или графита на обычном персональном компьютере примерно за один час.
— Какие вообще параметры можно задать компьютеру и как ведутся расчеты?
— Надо задать параметры эволюции (число структур в «популяции», силу мутаций и т. д.) и то, какие атомы будут участвовать в процессе. При создании, например, максимально твердого материала можно задать участие в процессе только атомов углерода или, например, любой комбинации атомов углерода и азота. Компьютер всячески будет их перемешивать от чистого углерода до чистого азота, включая промежуточные варианты. Из этого он сделает материал с нужными свойствами.
— Если не задавать конкретные элементы, а просто предложить компьютеру самому брать атомы любых элементов из таблицы Менделеева?
— Можно, но не нужно, потому что задача становится экспоненциально более сложной с увеличением числа степеней свободы. Компьютер решит задачу, но будет делать это очень долго. И к тому же это бессмысленно. Предположим, вы ищете сверхтвердый материал. Известно, что элементы с рыхлыми электронными оболочками, как натрий, калий, рубидий, цезий, просто не создадут высокой твердости вещества. Элементы благородных газов, как гелий, аргон, вообще не образуют или с трудом образуют соединения. Зачем их включать в расчет? Для производства сверхтвердых материалов интересен ограниченный набор элементов. Это углерод, азот, кислород, бор, тугоплавкие металлы — вольфрам, тантал, рений, ниобий, молибден. Но даже если ввести все эти элементы в исходную программу, то расчет получится достаточно громоздким. Имеет смысл в практических расчетах задавать до пяти элементов.
— Можно ли сделать материал по заказанным свойствам? Например, оружейный завод хочет выпускать пули с особым сердечником.
— Именно в этом и состоит суть метода, что он может предсказать материал именно с теми свойствами, которые требуются. А заказать можно что угодно из тех свойств, которые рассчитываются, — твердость, электропроводность и многое другое. А вот, например, вязкость твердого тела рассчитать сейчас практически невозможно. Это на сегодняшний день неоптимизируемое свойство. Для жидкости она рассчитывается достаточно легко, а для твердых веществ — нет.
— Вы задаете компьютеру требуемое свойство, он придумывает новый материал, демонстрирует его кристаллическую решетку, но способен ли он подсказать, как сделать этот материал?
— Наш эволюционный метод показывает только возможность существования нужного материала и его характеристики. А вот предсказание путей его синтеза — пока что нерешенная задача. Сейчас ее можно решать только для каких-то частных случаев. Например, мы решили ее в частной задаче о сверхтвердом графите. Сдавливая графит при низкой температуре, исследователи получили новую форму углерода, но ее строение полвека не удавалось понять. Вот результат этого синтеза нам удалось предсказать. Это не предсказание структуры в классическом смысле, а именно предсказание пути синтеза, где известны начальное состояние и условия синтеза и нужно предсказать его результат. Важна и обратная задача — подобрать условия синтеза нужного конечного материала.
Читать дальше
