Группа ученых из Сколтеха, МФТИ и Самарского технологического университета под руководством профессора Артема Оганова предложила новый, усовершенствованный способ предсказания кристаллических структур химических веществ. Благодаря ему можно будет значительно быстрее разрабатывать новые материалы с интересными для прикладных областей свойствами.
© Wikimedia Commons
Чтобы создавать более эффективный материал для турбин электростанций или новой электроники, можно использовать два пути. Первый, традиционный, — это эксперимент, поиск, почти вслепую. Он связан с большими затратами труда и времени. Более того, существует возможность ошибок при последующем внедрении нового соединения в практику.
Второй путь — поиск веществ из расчета, что их свойства определяются структурой. При этом синтезируются только те, которые, по прогнозу, должны обладать нужными для технологов свойствами. Так, в 2005 году исследовательская группа под руководством Артема Оганова разработала эволюционный алгоритм USPEX, способный предсказать кристаллические структуры веществ. Он ищет новые соединения, не перебирая все возможные варианты взаимного расположения атомов (это заняло бы огромное время), а генерируя небольшое число случайных структур, стабильность которых затем оценивается на основе энергии взаимодействия между атомами в них.
Далее получившиеся структуры «скрещивают» друг с другом, затем их «потомков» снова скрещивают между собой, и так до тех пор, пока не найдутся особо стабильные соединения, включающие атомы, заложенные в алгоритм при поиске. Так уже был обнаружен целый ряд совершенно удивительных веществ, например стабильные соединения гелия, долгое время считавшегося весьма инертным и не способным к их образованию. По соотношению результативности и ресурсоемкости USPEX пока лучший из всех алгоритмов для поиска новых веществ.
В новой работе предложено дополнительно усовершенствовать первый шаг работы алгоритма USPEX — генерацию исходных структур. Полностью случайная их генерация не очень эффективна. Чтобы улучшить ее, необходимо опираться на подсказки, заложенные в структуре уже известных веществ. Для этого химики обратились к базам данных кристаллических структур. Чтобы классифицировать уже известные вещества наиболее эффективным образом, они подход Артема Оганова с топологическими методами Владислава Блатова из Самары, второго автора работы.
Ученые разделили все возможные для поиска алгоритмом вещества на три тысячи топологических типов, известных для неорганических соединений. Для поиска целевой структуры необходимого соединения модифицированный алгоритм сразу будет задавать только те топологические типы, что образуют уже известные соединения атомов. Это ограничение даст возможность сразу генерировать диапазон соединений, имеющих искомую или близкую к ней структуру.
Согласно пробным пускам модифицированного алгоритма, обновленный генератор структур позволяет предсказывать уже найденные ранее соединения в три раза быстрее, чем исходный USPEX. Такая разница имеет большое практическое значение, поскольку резко уменьшает потребность в вычислительных ресурсах при поиске новых перспективных соединений.
Статья опубликована в журнале Computer Physics Communications
Источник: chrdk.ru
