Химический телескоп

Современной науке под силу по набору элементов из таблицы Менделеева определить структуру и химический состав их соединений даже в условиях экстремальных давлений в недрах планет или в причудливом приповерхностном слое технологически значимых материалов, поведение которых бросает вызов привычной химической интуиции. А если добавить к этому искусственный интеллект, подобные расчеты становятся выполнимы даже на обычном лэптопе, без суперкомпьютеров и навыков программирования. Передовая наука может в буквальном смысле попасть на школьный урок химии.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Именно такую возможность открывает новая версия алгоритма USPEX («успех»), о которой «Ъ-Науке» рассказал ее создатель — заслуженный профессор Сколтеха, руководитель лаборатории дизайна материалов Артем Оганов.

— Представляя новую версию алгоритма на пресс-конференции в пятницу, вы на глазах зрителей рассчитали структуру довольно экзотического кристалла из трех химических элементов. Сколько их могло быть?

— А сколько угодно. На самом деле USPEX может решать очень разные задачи, и для предсказания по химической формуле ее сложность не столь важна. Если же формула неизвестна и мы задаем только элементы, но не знаем, в каком соотношении они образуют стабильные вещества и с какой структурой, то тут USPEX легко справится с двухкомпонентной системой, сложнее — с трехкомпонентной, а четыре элемента — это сейчас предел.

Сегодня в лабораторию приходили школьники, потрясающие ребята, очень мотивированные. Они предложили расчет в системе «неодим—теллур—кислород». Я никогда в жизни ей не занимался, но USPEX предсказал химически абсолютно разумную, красивую структуру.

— Допустим, я школьник попроще и даю программе на вход только один химический элемент — кислород. Она покажет мне, что атмосферный кислород — это газ из молекул O₂?

— Нет, потому что базовые расчеты производятся при атмосферном давлении и абсолютном нуле температур, то есть при –273 градусах Цельсия. В таких условиях кислород будет кристаллом, состоящим из молекулO₂.

А давайте проверим — это быстрый расчет, если смотреть первое поколение структур. Вот я запускаю программу и ничего не ввожу, кроме одного символа «O». Думаю, школьник справится. Можно указать число атомов в ячейке кристаллической структуры, но не обязательно. Укажем переменное число, от и до. Ждем…

— Пока считает, поясните, пожалуйста, про «первое поколение».

— Тут как в природной эволюции: мы, наши дети, наши внуки… Есть популяция кристаллических структур, которая эволюционирует на компьютере в поиске самой лучшей структуры.

— Но в природе приспособление продолжается без конца, а здесь физика приводит к выявлению победителя?

— Да. Смотреть только на первое поколение в контексте серьезной науки — это немного моветон, но для наших целей хватит. А ну-ка, посмотрим, что у нас из кислорода выросло.

— Как я понимаю, мы видим изображение конкретной структуры кристалла из молекул O₂, а следом — хит-парад альтернативных, менее устойчивых структур. Как насчет молекулы озона O₃? В школе была такая.

— Если листать результаты дальше и смотреть нестабильные структуры, каковыми и будут все варианты с наличием O₃, то она нам тоже будет попадаться. Вот она. Смотрите, здесь даже O₄ есть ближе к концу списка.

— Эту задачу и решает алгоритм?

— В базовом случае — да. Но вы можете также спросить, какая из структур кислорода самая плотная или, скажем, обладает наибольшей магнитной восприимчивостью. И USPEX вам ее найдет.

— Температура выше абсолютного нуля, высокое или низкое давление — это тоже примеры нестандартных сценариев?

— Да, мы можем сказать программе, при каких условиях решается задача. Например, кислород при давлении в миллион атмосфер будет вести себя иначе: у него будет другая кристаллическая структура и свойства. Он станет сверхпроводником.

Повысить температуру тоже можно, но расчеты станут гораздо более затратными и это вам ничего не даст: считайте, те же самые молекулы O₂ испарятся из кристалла.

— Но новая версия алгоритма ускоряет все расчеты, даже в подобных сложных случаях?

— Да, причем на порядки. И любой пользователь персонального компьютера получает уникальную возможность спросить у природы, что она предпочитает.

— Итак, школьник увидел, что кислород предпочитает образовывать молекулы O₂. Как он может узнать о реакциях кислорода с кремнием, например?

— Вы можете сделать такой же расчет для кремния и его соединений с кислородом и сравнить устойчивость разных соединений, а также простых веществ из этих элементов по отдельности. Устойчивое соединение будет более выгодным, чем любая смесь из других соединений, из которых оно и будет образовываться. Такие химические реакции будут идти.

В системе кремния и кислорода есть устойчивое соединение SiO₂ и неустойчивый SiO. Его вы тоже можете получить, у меня даже есть на даче баночка с таким, но со временем он все равно распадется на кремний и SiO₂.

— Что если я рассчитаю структуру сумасшедшего соединения, которое нельзя синтезировать?

— Программа даст самую выгодную структуру и для такого соединения, но также скажет, что оно неустойчиво и укажет, на какие вещества оно будет стремиться распасться. Иногда такие неустойчивые соединения удается получить в лаборатории, но для этого нужны особые экспериментальные подходы.

Мы с китайскими коллегами недавно рассматривали систему «кобальт—углерод». USPEX показывает, что все их соединения выше по энергии, чем смесь чистого кобальта с чистым углеродом. Значит, им выгоднее быть по отдельности. Но в виде наночастиц коллегам удалось получить карбид кобальта.

— Генеративный искусственный интеллект может предсказывать новые кристаллические структуры, насмотревшись на старые?

— Может. Это мощная штука, но этим подходом вы не получите ничего радикально нового, потому что система по определению обучается на старом и генерирует структуры, устроенные похожим образом. Если вы примените такой инструмент к экстремальным условиям, то из-за отсутствия хорошей базы данных такой подход окажется крайне ограниченным.

Даже в случае атмосферного давления точность таких предсказаний не слишком высока. Хотя, даже если у вас точность 50%, это уже очень хорошо: благодаря высокой скорости расчета вы получаете огромный массив предсказаний, которые затем можете уточнять, но это дополнительная работа.

— Почему ваша методология точнее и работает в нестандартных условиях?

— Мы основываемся на фундаментальных физических принципах, а от искусственного интеллекта берем только резкое ускорение расчетов энергии (устойчивости соединений). Ее теперь считает модель машинного обучения, обученная на квантово-механических расчетах.

— Если квантовая механика — это эталон точности, значит, за подобное ускорение тоже приходится платить?

— Конечно, машинное обучение вносит дополнительную ошибку при расчете энергии, но она невелика. А уже для генерации структур используется алгоритм USPEX, способный генерировать нечто совершенно неожиданное.

— Насколько серьезные последствия могут быть у такой ошибки?

— Она может привести к тому, что структура №1 по стабильности в действительности будет, скажем, структурой №3. Но, знаете, такого рода ошибки чем-то похожи на ошибки гениального человека.

Классический пример — Лайнус Полинг, который тоже время от времени ошибался. Но его ошибки содержали очень интересные гипотезы, из которых потом все равно что-то да получалось. Или взять, казалось бы, бесплодные поиски эфира Менделеевым, которые привели его к важнейшему уравнению состояния идеального газа.

И за ошибками искусственного интеллекта тоже часто стоит довольно интересная химия: он уже сейчас чувствует химическую связь, пожалуй, тоньше любого эксперта.

— Раз USPEX особенно ценен для химии экстремальных условий, расскажите побольше о них.

— Экстремальные условия — это прежде всего высокие давления. На большой глубине внутри Земли и других планет могут возникать совершенно неожиданные соединения с неожиданной структурой. Или в промышленных процессах. Алмаз, например, промышленно производится именно в аппаратах высокого давления.

Еще есть экстремальные состояния на поверхности вещества: там у каждого атома примерно половина связей оборваны, и он стремится компенсировать эти связи, как только может. Возникают особые поверхностные фазы.

— А эти поверхностные соединения имеют промышленное значение?

— Конечно. Катализ, например, происходит именно на поверхности, равно как и все химические реакции с участием твердых тел. Более того, можно легко представить себе ситуацию, когда объем кристалла не проводит ток, а его поверхность проводит.

Поверхность вещества — это аномальное, сумасшедшее место, где происходит то, чего в объеме не бывает никогда: например, науке неизвестно ни одного борида меди, но на поверхности меди возникает двумерный борид совершенно необычного состава, Cu₈B₁₄. Его свойства кардинально отличаются от свойств кристалла меди. За счет таких эффектов можно управлять свойствами материала.

Вообще, поверхностные явления важны не только для самой поверхности, но и для механических свойств вещества. Например, давно обнаруженный нами при помощи USPEX и подтвержденный экспериментами аномальный Na₃Cl, который возникает при высоких давлениях, как оказалось, образуется и при нормальном давлении — на поверхности кристаллов соли в расплаве натрия или в атмосфере хлора. Так вот, как следствие, сам кристалл соли NaCl становится гораздо более хрупким. Мы делали такой эксперимент с детьми на даче.

— Приведите пару примеров веществ с полезными свойствами, которые вы открыли.

— Был случай, когда нужно было найти полимерные материалы с рекордными диэлектрическими свойствами. Мы это сделали: предсказали четыре новых полимера. Они затем были получены в эксперименте, которыи полностью подтвердил предсказанные структуры и своиства.

— И куда они дальше пошли?

— Должны были пойти в гибкую электронику, но я не отслеживаю, что с нашими материалами делает заказчик.

Или, например, была задача от «Газпром нефти»: найти материал, который сможет заменить победит в разгрызающем горную породу буровом долоте. Оно состоит из победитовои основы, в которую вживлены искусственные алмазы. Алмаз побить ничем нельзя, а победит, как оказалось, можно: мы сгенерировали для них целую линеику перспективных материалов.

— И они могут оказаться дешевле?

— Да, вероятно, так и будет. И при этом их своиства более совершенны.

— Бывало такое, что алгоритм предсказывал что-то очень контринтуитивное, что при ближайшем рассмотрении оказывалось полезным?

— В химии высоких давлений таких неожиданностей много. Например, что натрий под давлением из металла превращается в прозрачный диэлектрик. Или все эти аномальные соединения натрия и хлора. Для многих людей это было шоком. Мне кажется, это довольно сильно перевернуло представление о химии вещества. А ведь подобные странные соединения возникают практически в любои химическои системе, если давление достаточно высоко. Таких экспериментально подтвержденных соединений сотни. Может быть, сами они не имеют практических приложений, зато они бросают вызов нашим химическим моделям, меняют их. Эта ревизия необходима, но она невозможна без накопления подобного аномального фактического материала.

Понимание гидридов, например, ведет нас к получению «комнатных сверхпроводников» — материалов, которые будут проводить ток без сопротивления и не требовать при этом охлаждения. Например, текущий рекордсмен LaH₁₀ становится сверхпроводником уже при охлаждении до 20 градусов Цельсия. А один из моих учеников, ныне член Китайской академии наук, уже представил препринт исследования, в котором теоретически и экспериментально показывается сверхпроводимость при комнатной температуре, пусть и при высоком давлении. Все эти материалы были сначала предсказаны и только потом получены в эксперименте.

— Напоследок перейдем от полезного к прекрасному: что интересного предсказывает USPEX применительно к космосу и недрам планет? Правда, что там есть гигантские алмазы?

— Монокристалл — вряд ли, но мы думаем, что в недрах Нептуна и, наверное, Урана присутствует довольно большое количество алмаза.

Есть особая история со звездами — белыми карликами: возможно, на определенной глубине в них образуется некое упорядоченное состояние из атомов углерода и кислорода, но это странный кристалл. Пока мы очень мало об этом знаем.

— А что интересного предсказано в глубине Земли?

— Несколько лет назад китайские коллеги с помощью программы USPEX предсказали и экспериментально доказали, что под давлением образуется необычный оксид железа, FeO₂. Причем они пошли дальше и развили интересную идею про соединения — аккумуляторы кислорода. Ведь этот FeO₂ стабилен под давлением и содержит избыток кислорода по сравнению с привычным Fe₂O₃: два атома кислорода против полутора на один атом железа. Земные недра находятся в состоянии конвекции: вещество поднимается с глубин, доходит до верхов, потом опять опускается. Так вот, когда FeO₂ поднимается, он должен распасться на Fe₂O₃ и кислород. А куда пойдет этот кислород? В атмосферу.

Все привыкли к тому, что кислород в атмосфере появился как продукт жизнедеятельности фотосинтезирующих цианобактерий и растений. Сейчас накапливается много свидетельств того, что важный вклад мог также внести геологический источник кислорода, о котором раньше никто не думал.

— Программа в открытом доступе. С ней не произойдет того, что, как говорят, случилось с ChatGPT и DeepSeek, когда первый инструмент потерял эксклюзивность из-за того, что его смогли повторить?

— А я не думаю, что DeepSeek кого-то повторил. Я думаю, что китайцы вполне независимо создали более совершенную модель, которая потребовала раз в сто меньше ресурсов для обучения за счет более совершенной математики.

Вообще, у нас были прецеденты, что люди копировали нашу программу и выдавали ее за свою. Чтобы этого избежать, мы теперь распространяем USPEX в скомпилированном виде, не раскрывая исходный код. Можно воспроизвести ее, руководствуясь нашими публикациями, но это не плагиат. Если кто-то хочет вдохновиться и сделать нечто похожее, то почему нет, пожалуйста.

Беседовал Николай Посунько