Кристаллы накончике пера: наука невозможного

      Комментарии к записи Кристаллы накончике пера: наука невозможного отключены

Кристаллы накончике пера: наука невозможного

    Мириады ядерных комбинаций В принципе ясно, что для ответа поставленной задачи должны существовать какие-то оптимальные комбинации атомов, но вопрос в том, как их вычислить. Неспециализированное число аналогичных комбинаций весьма громадно, приблизительно 10N (где N — число атомов в кристаллической ячейке либо другой характерной структуре). Допустим, N=20, что не так уж и большое количество, — но кроме того в этом случае выбирать варианты друг за другом легко нереально, ни один компьютер за разумное время с этим не справится

материаловеды и Химики в большинстве случаев решали подобные задачи, синтезируя наудачу множество кристаллических структур и выбирая из них самые подходящие. Эта тактика иногда дает хорошие результаты, но требует великих долголетних трудов и усилий. Как раз так в свое время действовал Эдисон, что как-то сообщил: «Я не совершил ошибку десять тысяч раз, я десять тысяч дорог, каковые не трудятся».

Это способ ошибок и проб в чистом виде. Ясно, что было бы куда лучше предвещать перспективные ядерные структуры посредством компьютерных вычислений.

Как раз в этом направлении шесть лет трудится Артем Оганов, доктор наук Университета Стоуни-Брук, вместе с аспирантами Колином Глассом и Чангом Джу и пост-доком Андреем Ляховым. «Мы решили воспользоваться методами, сходными с теми, каковые используются для обсчета эволюционных процессов, — растолковывает Артем.- В общем виде мысль смотрелась так: берем пара пробных кристаллических структур, образованных интересующими нас атомами, и оцениваем их свободную энергию на компьютере. После этого отбраковываем энергетически невыгодные структуры, которым законы термодинамики не оставляют надежды на выживание.

А вот из комбинаций, владеющих большими шансами на существование, составляем первое поколение структур-родителей и посредством отечественных методов на их базе конструируем новое поколение. Принципиально важно, что новое поколение несет в себе и наследственные черты предков, и определенные мутации — по прямой аналогии с живыми организмами».

Это легко лишь на словах, поскольку заблаговременно не известно, как покинуть наследственные черты и как ввести мутационные трансформации. Несколько Артема Оганова билась над данной задачей весь год и в следствии придумала идею, которая стала причиной успеху. «Наименование отечественной программы, — говорит Артем, — созвучно русскому слову «успех»: USPEX, Universal Structure Predictor: Evolutionary Xtallography («Универсальное предсказание структуры: эволюционная кристаллография»). В собственном нынешнем виде она разрешает с весьма хорошей точностью предвещать термодинамически устойчивые структуры с требуемыми особенностями, которые содержат до 40, а иногда кроме того до 100−150 атомов».

Эволюционный метод USPEX был очень действенным. Он заменяет механический перебор мириадов ядерных комбинаций на обсчет тысяч, сотен, а время от времени только десятков вариантов. Это в полной мере реально и при умеренном расходе компьютерного времени.

Для чего это необходимо? Появляется возможность приобретать вещества со строго определенными особенностями и осуществлять непроизвольный компьютерный дизайн таких материалов, на что еще сравнительно не так давно никто и не сохранял надежду.

«Это прикладная наука, но мы можем оказать помощь и науке фундаментальной, — говорит Артем Оганов. — Меня со студенческих времен интересует, как ведут себя вещества в экстремальных условиях — скажем, под действием очень высоких давлений. При таком сжатии связи между атомами изменяются так, что их уже нельзя понять посредством хорошей химии.

К примеру, кто бы имел возможность поразмыслить, что хороший металл натрий под давлением в 2 млн воздухов превратится в диэлектрик рубинового цвета, а при сжатии выше 3 млн воздухов купит прозрачность чистого стекла? А мы посредством отечественного способа предсказали эту изменение, и опыт ее подтвердил!

И обстоятельство сейчас мы уже знаем — в следствии сильного сжатия кристаллической решетки валентные электроны запираются в межатомных ловушках и теряют возможность вольно бегать по всему кристаллу. Мы предсказали кроме этого, что в недрах Почвы имеются карбонаты кальция и магния, и этот прогноз — и железоуглеродистые сплавы опять-таки был обоснован в лабораторных опытах».

Кристаллохимия

Связь между атомами в кристаллах обеспечивается сотрудничеством внешних валентных электронов. По характеру данной связи кристаллы принято дробить на четыре главные группы

В ионных кристаллах (обычный представитель — NaCl) электроны переходят от атомов металлов (катионов) к атомам неметаллов (анионов), снабжая электростатическое притяжение. В ковалентных (бриллиант, кремний) кристаллах электроны обобществляются, образуя электронные тучи между атомами. В железных кристаллах (интерметаллические соединения и металлы) валентные электроны образуют неспециализированный электронный газ.

В молекулярных кристаллах атомы в молекул объединены ковалентными связями, а атомы в соседних молекулах сцеплены более не сильный ван-дер-ваальсовыми силами либо водородной связью. Во многих случаях межатомные связи смогут иметь промежуточный темперамент, исходя из этого выяснить свойства кристаллов многих веществ, исходя из состава, — задача в общем случае весьма сложная.

Статья размещена в издании «Популярная механика» (№96, октябрь 2010).

Разведопрос: Клим Жуков про Куликовскую битву и Золотую орду


Интересные записи на сайте:

Подобранные по важим запросам, статьи по теме: