Исследователи из Сколковского института науки и технологий представили новый компьютерный алгоритм, который способен перебрать все возможные комбинации химических элементов и предложить материал с необходимыми свойствами. Программу ученые проверили на примере сверхтвердых и магнитных соединений. Результаты поддержанной грантом Российского научного фонда работы опубликованы на страницах журнала NPJ Computational Materials.

«В 2006 году мы представили алгоритм USPEX, который способен предсказать кристаллическую структуру для заданного химического состава. После этого мы смогли существенно расширить его предсказательные возможности, научив его работать без заданного состава. Расширенный вариант программы может одним расчетом найти все стабильные соединения заданных элементов и соответствующие им кристаллические структуры, — говорит руководитель проекта, профессор Сколтеха и МФТИ Артем Оганов. — Новый вариант метода позволяет решить гораздо более грандиозную задачу. Для его использования не нужно знать ни химического состава, ни даже конкретных элементов. Вместо этого программа сама находит вещества с нужными свойствами — скажем, с максимальной твердостью — из всех возможных сочетаний всех элементов друг с другом, также учитывая все кристаллические структуры».

Вариантов расположения атомов в материалах бесконечно много, и для каждого возможно множество кристаллических структур. Даже несмотря на то, что некоторые структуры оказываются нестабильными и не подходят в качестве конечного результата, чтобы перебрать все возможные варианты на компьютере или вручную, потребуется невообразимо большое время. Однако новый вычислительный метод, созданный российскими исследователями, позволяет сделать это довольно быстро. Новую методику авторы назвали Менделеевским поиском.

Ученые обратили внимание на то, что можно построить абстрактное химическое пространство так, чтобы близкие в нем вещества обладали похожими свойствами. В таком случае все материалы с особыми свойствами — например, твердостью — будут находиться в одной области, и для выбора наилучшего из них можно будет применить эволюционный алгоритм. Метод Менделеевского поиска проводит двойную эволюцию — в каждой точке химического пространства он ищет лучшую кристаллическую структуру, и одновременно среди этих химических составов идет конкуренция — своего рода естественный отбор.

Чтобы проверить эффективность нового метода, команда исследователей задала компьютеру задачу вывести состав и структуру самого твердого материала. Тверже всех оказался алмаз, что означает бесперспективность поисков материалов тверже него. Кроме того, в ходе расчета ученые обнаружили несколько десятков твердых и сверхтвердых фаз, среди которых были как уже известные, так и совершенно новые материалы.