Российские учёные ищут новые материалы с помощью суперкомпьютера

В 1994 году видный кристаллограф-теоретик Анджело Гавеццоти написал научную статью под названием «Предсказуемы ли кристаллические структуры?», первым словом в которой было «нет». Новая работа российско-американских исследователей в очередной раз опровергает этот лаконичный пессимизм.

Ранее ими уже был успешно создан метод эволюционного предсказания кристаллических структур USPEX, а новый подход сочетает его плюсы с преимуществами метадинамики, второго основного метода этой научной области. Статья, описывающая основные идеи эволюционной метадинамики и первые результаты её работы, опубликована на страницах журнала CrystEngComm.

Точно предсказывать физические и химические свойства веществ по их составу — давняя мечта учёных всего мира. Однако еще 20 лет назад даже изучать структуру веществ можно было только экспериментально, а уж подбирать новые материалы с необходимыми свойствами до сих пор приходится лишь методом аккуратного перебора сотен различных вариантов.

Работы по развитию компьютерных методов предсказания кристаллической структуры призваны упростить жизнь экспериментаторов.

Большой вклад в развитие этой научной области внесли и наши соотечественники — Андрей Ляхов и Артем Оганов, адъюнкт-профессор МГУ им. Ломоносова. В середине 2000-х они разработали свой метод эволюционного поиска USPEX, который до сих пор остаётся одним из самых эффективных в мире.

В своей новой статье они модифицируют USPEX, совмещая его с элементами метадинамики.

На первый взгляд, предсказывать кристаллическую структуру очень просто. Есть химический состав и различные способы скомбинировать его элементы. Каждая комбинация характеризуется своей величиной свободной поверхностной энергии, а самая устойчивая — минимальной среди прочих энергией. Только число комбинаций подчас достигает колоссальных значений, и поэтому слепой их перебор невозможен. Поэтому в эволюционном методе перебор отталкивается от некой первичной структуры. Из неё получают сходные структуры, среди них отбирают самые выгодные и вновь повторяют эксперимент: размножают структуры, анализируют энергию, отбирают самые выгодные модификации.

В методе же метадинамики ведётся анализ свободной поверхностной энергии как функции длины связей, торсионных углов и других кристаллических параметров. При этом в число уравнений, определяющих вид энергии, искусственно вводится переменный во времени потенциал, провоцирующий поиск новых минимумов в окрестностях уже известных устойчивых состояний. Часто этот локальный поиск ведётся при помощи решений уравнений движения, заменить которые в новом подходе призвана эволюция.

Работоспособность эволюционной метадинамики учёные проверили на нескольких модельных задачах. Первая из них, поиск трёх стабильных состояний на фазовой диаграмме минерала Al2SiO5, служит своеобразной лакмусовой бумажкой для каждого нового метода предсказания кристаллических структур. Так, например исследователи предварительно случайно сгенерировали 10 000 различных структур, соответствующих этому составу. И ни одна из них не совпала с реальностью, а с применением эволюционной метадинамики верные решения были найдены после нескольких десятков шагов поиска.

Во второй задаче исследователи пытались получить структуру M-углерода, ещё одной модификации углерода наравне с привычными графитом, алмазами или фуллеренами. Экспериментально М-углерод, прозрачный и твёрдый материал, который получается из графита при давлении в миллион атмосфер, открыли еще в середине XX века.

Однако его структуру впервые смогли определить именно с помощью метода USPEX, и новые вычисления удачно подтвердили старые выводы.

Таким образом, метод эволюционной метадинамики отлично продемонстрировал свою работоспособность на этих двух примерах. При этом он также выгодно отличается от своих предшественников. Так, в отличие от эволюционного поиска для корректной работы ему не требуется хорошей начальной структуры, а на каждом этапе он даёт гораздо больше информации, чем обычная метадинамика. Так же как и раньше, предметом исследования остаются фазовые переходы и поиск устойчивых кристаллических структур при давлениях в нескольких ГПа (это характерные давления для земного ядра или многих космических объектов), но устойчивость и производительность метода вполне позволяют использовать его для поиска новых кристаллических материалов с желаемыми физическими свойствами.

Вычисления для работы частично проведены на суперкомпьютерах Скиф-МГУ и межведомственного суперкомпьютерного центра РАН.

Источники: Qiang Zhu, Artem R. Oganov and Andriy O. Lyakhov Evolutionary Metadynamics: a Novel Method to Predict Crystal Structures. — CrystEngComm. — 2012. — 14. — P.~3596-3601.
http://www.nanonewsnet.ru/

Метки: нет меток

Комментарии закрыты.