Недавно Академгородок посетил один из выдающихся ученых современности, доктор технических наук Артем Оганов. Артем Ромаевич занимается многими научными областями: кристаллографией, химией, физикой, материаловедением. В череде его профессиональных достижений особо выделятся одно: именно А.Р. Оганов является автором повсеместно используемого эволюционного метода предсказания кристаллических структур. О том, что это такое и как им пользоваться, ученый рассказал в своей открытой лекции, прошедшей в НГУ.
Как известно, получить новый материал очень сложно. До недавнего времени в науке существовало два способа открытия новых материалов. Первый – классический метод проб и ошибок. Исследователи упорно трудятся, пробуют разные компоненты в разных пропорциях и в разных условиях, но, как правило, ничего стоящего у них не получается. И так они пробуют дальше, попытка за попыткой. Второй путь – между прочим, наиболее частотный – случайность. Есть множество историй, когда в поиске чего-то одного (например, лекарства от стенокардии и гипертонии) люди находили что-то совершенно другое (например, виагру).
Безусловно, исследователи, которые этим занимаются, заслуживают бесконечного уважения, поскольку именно благодаря их работе мы имеем чуть ли не все современные технологии, но факт остается фактом: строго говоря, ни один из этих способов нельзя назвать научным.
Можно ли новый материал получить нажатием одной клавиши на компьютере? А вот теперь можно. И даже нужно во имя экономии времени и человеческих сил.
Знание структуры материала чрезвычайно важно, поскольку большинство физических свойств материала напрямую (или почти напрямую) с ней связано. Конечно, есть некоторые характеристики, который объясняются дефектам кристаллической структуры, но ведь дефекты сами по себе тоже являются частью структуры.
Ранее считалось, что структуру вещества невозможно предсказать. Почему? А потому, что понадобится невероятное количество времени. Например, вы ищете наиболее устойчивую структуру, следовательно, вам нужно рассмотреть все возможные расположения объекта в пространстве, каким-то образом дискретизировав задачу. Если посчитать число возможных вариантов структуры, то окажется, что оно астрономически велико. Для десятка атомов элементарной частицы вам придется ждать около тысячи лет, пока расчет закончится. И даже если мощность компьютеров вырастет в триллион раз, в чем, честно говоря, уверенности нет, данная задача останется нерешаемой.
Но здесь есть один подвох. Вышеперечисленные заключения основываются на допущении, что вам нужно проверить все возможные варианты устройства структуры. Но на самом деле требуется лишь найти быстрый путь к оптимальному решению. Не нужно «прощупывать» все варианты, достаточно просчитать дорогу от некоего старта до оптимума. Проще говоря, нужно проводить постепенное сужение области поиска. Когда вы ищете адрес НГУ, вы же сразу смотрите в Новосибирске, а не просматриваете сначала все континенты, страны и города. Так же и действовать следует и здесь.
Философия эволюционного алгоритма заключается в том, что он постоянно пытается уточнить наиболее перспективную область, с каждым шагом фокусируясь все больше и больше. Это расчет, который учится на своих ошибках и таким образом определяет правильный путь.
Эволюционные алгоритмы обладают способностью, не ориентируясь на наши предпочтения, на наш образовательный уровень или воображение, целиком автоматически находить правильные решения, даже если последние противоречат интуиции исследователей.
Итак, как же происходит определение структуры?
«Мы начинаем с того, что производим несколько структур случайно, рассчитываем их энергию. Менее устойчивые структуры мы «убиваем», а из более стойких делаем «детей». Берем случайно подобранных родителей, вырезаем из них куски, сшиваем, делаем разные мутации. Расчет начинается с плохо упорядоченных структур, затем компьютер уже приводит все в порядок. Он знает только алгоритм и законы квантовой механики. Но все в итоге получается. Часто в ходе своих подсчетов мы находим что-нибудь странное, но потом экспериментальным путем все подтверждается, – рассказал А. Оганов. – Кроме того, мы научили метод не только определять кристаллическую структуру по химическому составу, но определять и устойчивый химический состав. Исследователю достаточно дать названия элементов, который он хочет соединить, а компьютер, поразмыслив, выдаст и формулу, и структуру».
Когда работа А. Оганова и его коллег была опубликована, многие исследователи не верили в замысле проекта. «Честно говоря, поначалу мы и сами не верили, что у нас получится создать такой алгоритм. Просто хотели только маленькую программу исключительно для собственных нужд. Но теперь программа USPEX (прим.: Universal Structure Predictor: Evolutionary Xtallography) используются по всему миру», – отметил ученый.
Маргарита Артёменко
- Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии