Одна из наиболее значимых и перспективных в технологическом смысле проблем современной науки – это предсказание кристаллической структуры вещества.
В полный рост проблема прогнозирования параметров кристаллической структуры теоретическими методами, без экспериментального поиска, встала уже в 1950-х, когда дальнейший технический прогресс начал требовать умения создавать материалы с конкретными свойствами под конкретные задачи.
История развития таких методов началась в 1929 году, когда американский химик Лайнус Полинг сформулировал правила, позволяющие уточнять кристаллические структуры простых ионных кристаллов. Хотя говорить так не совсем корректно, с помощью правил Полинга можно было именно уточнять свойства материалов с уже известной кристаллической структурой, но не предсказывать структуру и свойства еще неизвестных веществ. Активное же развитие методов предсказания началось в 1960-х вместе с появлением достаточно производительных компьютеров. В основе всего лежит идея исследования энергии кристалла как функции пространственного расположения атомов, образующих кристаллическую решетку. Минимальное значение энергии в этом случае соответствует той конфигурации атомов, которую мы наблюдаем в природе.
В качестве теоретического инструмента в расчетах энергии чаще всего использовали и используют по сей день метод Хартри-Фока и теорию функционала плотности в формализме Кона-Шэма, которые позволяют найти энергию кристалла с заданной решеткой. Первый метод прозрачен и очень хорошо проработан теоретически, но очень трудозатратен. Второй работает значительно быстрее, но имеет значительные теоретические недостатки. Тем не менее, оба метода позволяют получать согласующиеся с экспериментом результаты для известных и исследованных веществ.
Однако, когда нужно предсказать кристаллическую структуру новых неизвестных материалов, то этих методов оказывается недостаточно. Дело в том, что зависимость энергии от взаимного расположения атомов представляет собой функцию от очень большого числа параметров, которую очень и очень трудно анализировать. И если сосчитать значения такой функции относительно просто, то найти ее абсолютный минимум, а значит, и вид кристаллической решетки, очень сложно.
Уровень проблемы хорошо обозначил в 1988 году выдающийся британский химик-теоретик Джон Мэддокс: "Одним из продолжительных скандалов в физических науках является то, что в общем случае невозможно предсказать структуру даже простейших кристаллических веществ, зная только их химический состав... такие вещества, как кристаллическая вода (лед) считаются запредельно сложными для смертных." (Эту цитату часто приводит Артем Оганов, и она действительно хороша.)
И только в последние годы появились отчетливые намеки на возможность предсказания структуры вещества. Одной из первых ласточек является эволюционный алгоритм USPEX Оганова—Гласса, способный предсказывать кристаллическую структуру, образующуюся при произвольных значениях давления и температуры, исходя из знаний только о химическом составе материала.
Читайте в СЛЕДУЮЩЕЙ ЧАСТИ о современных исследованиях с помощью USPEX.
Мне важно Ваше мнение. Если нравится, ставьте лайк, подписывайтесь.