Ученые создали своеобразную дорожную карту, которая поможет экспериментаторам выбрать удачные направления для поисков новых сверхтвердых материалов
Анализ всей таблицы Менделеева при помощи уникальных алгоритмов
позволил химикам из МФТИ и «Сколтеха» подобрать список
кандидатов на роль полноценной замены для алмазов в буровых
установках и прочих инструментах, сообщает РИА Новости. Описание
возможных «убийц бриллиантов» было представлено
в Journal of Applied
Physics.
«Мы создали своеобразную дорожную карту, которая поможет нашим
коллегам-экспериментаторам выбрать удачные направления для
поисков новых сверхтвердых материалов. Вычислительные методы
помогут нам упростить эти поиски, сделав их более точными,
дешевыми и быстрыми», — заявил Александр Квашнин, сотрудник
«Сколтеха» и Московского Физтеха.
Химические свойства, структура и многие другие характеристики
всех сложных и важных для человека молекул определяются тем, как
взаимодействуют друг с другом их атомы, как устроены их
электронные оболочки и как различные внешние факторы, такие как
температура и давление, влияют на все эти вещи.
Несмотря на то, что «работой» всех этих элементов молекул
управляют достаточно простые физические законы, в том числе
принципы квантовой механики, предсказать их свойства или
поведение крайне сложно. Это связано с тем, что сложность
расчетов резко растет с добавлением каждого нового электрона,
из-за чего свойства даже простых кристаллов и молекул почти
невозможно просчитать даже при помощи самых мощных
суперкомпьютеров.
Известный российский химик Артем Оганов решил эту проблему еще в
2004 году, создав эволюционный алгоритм USPEX, позволяющий быстро
и точно вычислять свойства кристаллов разных веществ при самых
разных температурах и давлениях, «используя лишь их химическую
формулу и названия элементов».
За последующие годы Оганов, а также четыре тысячи других ученых,
использовали этот алгоритм для открытия огромного множества
практически полезных и просто интересных веществ, в том числе
необычных сверхпроводников на базе урана, чрезвычайного прочного
материала из вольфрама, «идеальной взрывчатки» из атомов азота и
хрома, а также многих других материалов.
В своей новой работе Оганов, Квашнин и Захид Аллаяри (Zahed
Allahyari), аспирант «Сколтеха», использовали новую версию USPEX
для решения еще более серьезной задачи – поиска материала,
который бы не уступал алмазу по твердости и износостойкости.
В этих поисках ученые использовали не конкретные комбинации
элементов, а фактически всю таблицу Менделеева, перебрав
комбинации самых разных элементов в попытках найти достойную
альтернативу «главным друзьям девушек».
Пока ни один из уже известных и предсказанных учеными материалов
не может приблизиться к алмазам по твердости или стойкости к
повреждениям. Тем не менее, некоторые из ранее неизвестных
веществ оказались достаточно перспективными для того, чтобы
попытаться их синтезировать.
При этом, что самое важное, свойства всех известных сверхтвердых
материалов были предсказаны с точностью, превышавшей 90%, что
означает, что алгоритм работает очень точно. Это позволяет
использовать его для дальнейших поисков подходящего «претендента»
на трон самого твердого и прочного материала.
К примеру, ученые неожиданно обнаружили подобные свойства у
гидрида марганца, материала, который, как считали Оганов и его
коллеги, не мог обладать твердой фазой. Тем не менее, он оказался
более твердым, чем стишовит, сверхтвердая форма двуокиси кремния,
возникающая при ударах метеоритов, хотя и несколько менее
износостойким.
Как отметил Квашнин, сейчас он участвует в проекте по синтезу
пентаборида вольфрама, одного из сверхтвердых веществ, наиболее
близких по своим характеристикам к алмазам. Он надеется, что эти
опыты, а также последующие расчеты при помощи USPEX, помогут
ученым понять, что именно управляет твердостью и прочностью
разных материалов и создать достойного конкурента для алмазов.
Источник: ria.ru
