20.12.2013

Невероятная химия

12 декабря проект «Публичные лекции Полит.ру» завершил свой сезон 2013 года необычной лекцией. Перед слушателями выступили двое ученых. Общей темой их выступления была «Компьютерный дизайн материалов: вчера, сегодня, завтра». Первый выступающий – уже знакомый слушателям Артем Ромаевич Оганов, Ph.D. в кристаллографии University College London, доктор наук (Habilitation) Швейцарского Федерального политехнического института в Цюрихе, профессор Университета штата Нью-Йорк, победитель конкурса мегагрантов и руководитель Лаборатории компьютерного дизайна материалов Московского физико-Технического института. Артем Оганов уже неоднократно читал лекции в рамках проекта. Свою часть нынешней лекции он озаглавил «Как мы открыли “запрещенную” химию».

Другим лектором стал Шинчу Чен (Xingqiu Chen), ведущий исследователь в Шеньянской Национальной лаборатории по материаловедению в Институте металловедения Китайской академии наук. Ранее Шинчу Чен работал в Австрии в Институте физической химии и Венском Центре компьютерного материаловедения, а также в США в Национальной лаборатории в Oak Ridge. В конце 2009 года Шинчу Чен вернулся в Китай по программе «100 талантов» Китайской академии наук, нацеленной на возвращение талантливых китайских ученых.

В начале лекции профессор Чен кратко рассказал слушателям об Институте металловедения в Шеньяне, столице провинции Ляонин, где работают около 900 сотрудников и 600 студентов и магистрантов. Задачи изучения структуры вещества и компьютерного дизайна новых материалов, которыми занят в своей лаборатории Шинчу Чен, многомасштабны: они включают в себя как рассмотрение структур на микроуровне, где единицей длины служит ангстрем, а расчеты бессмысленны без применения квантовой механики, так и, не считая промежуточных уровней, исследования на макроуровне (когда речь идет уже об объектах, которые можно увидеть и подержать в руке). Там исследователю приходится сталкиваться с решением дифференциальных уравнений методом конечных элементов. Таким образом, уровень рассмотрения вещества определяет применяемый вычислительный метод.

Многоуровневость задачи проявляется и в другом. Исследователи сначала должны понять физику и химию процессов, затем построить алгоритм получения необходимой структуры, потом создать программное обеспечение и, наконец, необходимо иметь достаточные вычислительные мощности, которые позволили бы решить поставленную задачу. Эти четыре компонента и составляют изучение вещества при помощи компьютера.

Химические процессы определяются взаимодействием электронов, точнее, электронных орбиталей. Поэтому в основе всех вычислительных методов химии лежит уравнение Шрёдингера, которое позволяет, в частности, рассчитать энергию взаимодействия электронов. Это уравнение было получено австрийским физиком Эрвином Шрёдингером, создателем волновой механики, еще в 1926 году.

Но во времена Шрёдингера решить его уравнение на бумаге было возможно только для очень простых случаев, вроде атома водорода. Уже для взаимодействия электронных оболочек таких атомов, как атомы железа, марганца, алюминия, вычислительный процесс становится сложным, и без помощи компьютера не обойтись. Поль Дирак, получивший Нобелевскую премию по физике в один год со Шрёдингером, говорил, что благодаря открытию Шрёдингера химия закончилась, ведь, решив это уравнение, можно предсказать любой процесс. Но, добавлял в то время Дирак, решение этого уравнения настолько сложно, что в реальности возможно лишь в самых простых случаях.

Следующий прорыв случился в 60-е годы. Вальтер Кон сформулировал теорию функционала плотности – метод расчета электронной структуры систем многих частиц, существенно упростивший решение задач квантовой механики. Также в то время появились первые достаточно мощные компьютеры, которые наконец-то смогли взяться за решение квантово-механических задач. Американский химик Джон Попл создал тогда квантово-химическую программу Gaussian. Первая ее версия была выпущена в 1970 году, а используется эта программа (в версии Gaussian09) и в наши дни. В 1998 году Кон и Попл получили Нобелевскую премию по химии.

Еще одно признание вычислительной химии со стороны Нобелевского комитета произошло совсем недавно, в 2013 году. Премию получили Мартин Карплус, Майкл Левит и Арье Варшель, занимающиеся компьютерным моделированием сложных химических систем. Они сумели сочетать методы квантовой и классической динамики, что позволило им моделировать процессы с участием биомолекул, состоящих из тысяч атомов.

Шинчу Чен познакомил слушателей с одной из программ, используемых для нужд вычислительной химии. Это программа VASP (Vienna Ab-initio Simulation Package), созданная в Венском университете. В наши дни VASP используют более чем 1400 исследовательских групп, как в академических организациях, так и в промышленности. Другой программой, важной для вычислительной химии, стала программа «USPEX», разработанная Артемом Огановым. Ее задача очень важна – предсказание структуры кристаллической решетки.

В качестве одного из примеров успеха вычислительной химии лектор привел предсказание свойств натрия под давлением. Этот элемент, в обычных условиях активный металл, под высоким давлением становится прозрачным диэлектриком. Для этого нужно давление в 2–3 млн атмосфер. Превращение металла натрия в прозрачный неметалл сначала было предсказано методами компьютерной химии, а потом проверено экспериментально. Рассказал Шинчу Чен и о собственных исследованиях, в частности о предсказании и получении двух неизвестных ранее соединений вольфрама с бором, а также об изучении топологических изоляторов – материалах, которые внутри своего объёма представляют собой диэлектрик, а на поверхности проводят электрический ток. Описал он использование работ Института металловедения в конструкциях турбин знаменитой электростанции «Три ущелья» на реке Янцзы.

Свою часть лекции Артем Оганов посвятил рассказу о некоторых последних работах своей лаборатории. “Запрещенная” химия, упомянутая им в названии лекции, - это такая химия, которая не укладывается в обычные представления о химической связи и строении вещества. Неизвестные ранее явления в строении вещества возникают в экстремальных условиях, а эти условия Артем Оганов предложил разделить на два типа. Во-первых, к экстремальным условиям относятся необычно большие значения какого-либо параметра: давления, магнитного поля, электрического поля. Во-вторых, в таких условиях находятся атомы на поверхности вещества, в отличие от атомов в глубине. Многие явления этой новой химии, которые ученые уже могут смоделировать на компьютере и получить экспериментально, еще только предстоит объяснить.

Артем Оганов отметил, что, если говорить о высоких давлениях, то только в знакомом нам мире эти условия можно назвать экстремальными, на самом же деле большая часть вещества звезд и планет находится именно в ситуации высокого давления. Поэтому понимание того, как ведет себя вещество в условиях высоких давлений, необходимо для понимания устройства Вселенной.

Также Артем Оганов рассказал о развитии методов изучения кристаллической структуры вещества за сто лет, прошедшие со времени исследований отца и сына Брэггов, которые применили для изучения простейших кристаллов рентгеноструктурный анализ (Нобелевская премия по физике 1915 года). Недавним заметным событием в этой области стало открытие израильским ученым Данном Шехтманом квазикристаллов (Нобелевская премия по химии 2011 года). Но все открытия кристаллографии были возможны, когда ученые имели в руках вещество, просвечивали его, получали дифракционную картинку. Можно ли понять кристаллическую структуру вещества, которое недоступно?

До недавнего времени это считалось невозможным. Но с помощью эволюционного алгоритма и основанной на нем программы «USPEX» теперь ученые могут представить себе структуру тех веществ, которых они еще не видели.

Одним из интересных примеров применения методов компьютерной химии для моделирования веществ и реакций, которые невозможно «пощупать руками», служит парадокс Нептуна – эта планета излучает энергии в 2,61 раза больше, чем получает от Солнца. Нептун состоит в основном из воды, аммиака и метана. Было высказано предположение, что в недрах планеты при высоком давлении метан распадается и освободившиеся атомы углерода превращаются в кристаллы алмаза. Плотный алмаз, падая тысячи километров в недра планеты, путем трения гравитационную энергию переводит в тепловую – такое объяснение предлагается для избыточного тепла Нептуна. Непонятным было одно: действительно ли осуществится реакция распада метана при высоком давлении с образованием алмаза. Расчеты показали, что она действительно произойдет. Так что, похоже, что методы компьютерной химии подтверждают эту гипотезу. Примерно через месяц после публикации этой работы астрономы сообщили об открытии планеты в созвездии Рака, которая состоит из алмаза. Вполне возможно, что когда-то эта планета напоминала Нептун, но, приблизившись к звезде, утратила свою газовую оболочку.

Максим Руссо

Источники:

1. polit.ru