Создатель "запрещенных" соединений

21 сентября в ЛНФ прошел общелабораторный семинар "Высокотемпературные сверхпроводящие гидриды: современное состояние". С докладами выступили Артем Оганов (Сколковский институт науки и технологий, МФТИ, Северо-Западный политехнический университет (КНР)) и Дмитрий Семенок (Сколковский институт науки и технологий). Семинар, проходивший и в режиме онлайн, собрал много слушателей в конференц-зале лаборатории. Как заметил директор ЛНФ В.Н.Швецов, это первый полноценный семинар с подавляющим присутствием слушателей в зале, а не перед экранами компьютеров. Он напомнил собравшимся, что создание госпрограммы по исследованию высокотемпературной сверхпроводимости было инициировано В.Л.Аксеновым, результаты этой работы заметны и сейчас.

Артем Оганов, кристаллограф по образованию, разработал вместе со своей командой компьютерную программу USPEX, позволяющую предсказывать и получать стабильные химические соединения с заданными свойствами, в том числе "запрещенные" традиционной химией. Сейчас этой программой пользуются тысячи исследователей во всем мире. Вместе со своей группой А.Р.Оганов занимается исследованием высокотемпературных сверхпроводников.

- Благодаря прорыву в теории, которая позволяет предсказывать и идентифицировать новые вещества, - начал рассказ А.Р.Оганов, - мы оказались в полушаге от комнатной сверхпроводимости. Мы занимаемся предсказанием новых материалов с помощью искусственного интеллекта, использующего машинное обучение и большие данные. Раньше два возможных пути предсказания новых веществ - машинное обучение и глобальная оптимизация - расходились в разные стороны. Первый способ не позволял предсказывать принципиально новые соединения, а второй был дорогостоящим методом. Есть мнение, что первопроходцем создания баз данных в химии был Д.И.Менделеев, я горячо поддерживаю это мнение. Он был смелым человеком, ему хватило смелости сказать, что пустые места в Периодической таблице - не нарушение корреляции, а неоткрытые элементы. Я сегодня общался с Ю.Ц.Оганесяном, продолжателем дела Менделеева. Сейчас стоит вопрос: где же заканчивается Периодическая таблица?

Наш метод определения новых соединений основывается на нейронных сетях, позволяющих предсказывать такие свойства, для которых нет теории вообще. Машинное обучение позволяет без использования суперкомпьютеров и не теряя точности предсказывать стабильные структуры и их состав. Известные сегодня 118 химических элементов могут образовывать 7021 бинарную систему, а тройных систем может быть уже свыше миллиона. Просто всех их перебрать невозможно, а эволюционный алгоритм, используемый в нашей программе, с этим справляется: он "понимает", какие составы более перспективны, и в каждом следующем шаге поиска фокусируется на более перспективных соединениях.

Рассказал докладчик и о новой химии, которую они открывают. В условиях давления около 10 млн атмосфер периодичность нарушается, а при давлении 1 млн атмосфер периодичность еще работает, но уже возникают неожиданные соединения и неожиданные свойства, в том числе сверхпроводимость. Например, кислород при давлении 10 ГПа становится сверхпроводником, а натрий - прозрачным неметаллом. Докладчик привел примеры новых соединений с неожиданными, интересными свойствами, рассказал, как с помощью своей программы они проверяли чужие неочевидные результаты. Вердикты мы услышали очень схожие: теория неправильная, но очень интересная; работа неправильная, но очень интересная и так далее.

"Кто воровал карбид кальция на стройке и бросал его в лужу, поднимите руку!" - обратился профессор РАН и действительный член Королевского химического общества к аудитории, и несколько рук поднялось. Артем упомянул исследования новых взрывчатых веществ, но военная тематика его мало привлекает. А затем мы познакомились с новейшей историей высокотемпературных сверхпроводников. В 2014 году ученые из Китая при помощи программы USPEX предсказали новое соединение - H₃S с рекордно высокой температурой сверхпроводимости 203 К, был преодолен рекорд купратов в 135 К. Триумф союза теоретиков и экспериментаторов способствовал появлению сотен работ по этой тематике.

А.Р.Оганов представил исследования своего аспиранта и коллеги Дмитрия Семенка, который предложил визуализировать результаты по высокотемпературной сверхпроводимости с помощью таблицы Менделеева. "Дмитрий получил прорывные результаты в области высокотемпературной сверхпроводимости, его работы вывели нас в самый авангард гонки за комнатную сверхпроводимость". Оказалось, что гидриды металлов, полученные при давлениях 100-200 ГПа, имеют сверхпроводимость при рекордных температурах, а официальный рекорд (260 К - это почти комнатная температура) у гидрида лантана LaH₁₀ под давлением 190 ГПа. "Где надежда? В усложнении химического состава. Почему? Не знаю, но температура сверхпроводимости растет с ростом химической сложности". А еще группа Оганова научилась предсказывать стабильные химические соединения не только в бинарном, но и в молекулярном состоянии. "Мы поняли принцип, по которому стабильные молекулы можно отличить от нестабильных.

Палитра стабильных веществ гораздо шире известной. Когда мне было четыре года, я мечтал работать у Флерова и Оганесяна, синтезировать новые элементы", - поделился Артем Ромаевич и продемонстрировал хребет стабильности оксида кремния Si_nO_m, очень похожий на известный остров стабильности изотопов.

Выступление А.Р.Оганова вызвало многочисленные заинтересованные вопросы зала, которые ведущему пришлось ограничить, поскольку еще был запланирован доклад Дмитрия Семенка. Он рассказал о текущем состоянии в области сверхпроводящих гидридов металлов, об особенностях их синтеза на алмазных наковальнях - самой дорогой части эксперимента. А выяснить структуру синтезированных гидридов можно только с помощью синхротронного излучения, и есть надежда на источник в Курчатовском институте, чтобы не ездить в Гренобль, Гамбург или Китай. Синтезированы различные гидриды урана, многие из которых стабильны при 1 атмосфере, их можно исследовать нейтронной дифракцией. Распределение сверхпроводящих свойств гидридов Дмитрий построил при помощи нейронных сетей на основе таблицы Менделеева. Ну а в поиске комнатных сверхпроводников самый перспективный - актиний, один из очень интересных, по мнению докладчика, материалов для изучения супергидридов.

Со словами благодарности докладчикам и заключительным комментарием выступил научный руководитель лаборатории В.Л.Аксенов. А В.Н.Швецов, завершая семинар, сказал: "Я восхищен результатами и общенаучным подходом, охватывающим и теорию, и предсказание, и синтез. Уверен, что это не последняя наша встреча". После семинара А.Р.Оганов ответил на вопросы вашего корреспондента.

- Вы уже были раньше знакомы с Ю.Ц.Оганесяном, и сейчас с ним встречались. Эти встречи дают вам что-то кроме свежей научной информации?

Конечно, помимо научной информации, а Юрий Цолакович просто фонтанирует идеями, и они зажигают, всегда находишь в них что-то близкое своей области исследований. Кроме того, он очень теплый и очень добрый человек, и его детская искорка в глазах, интерес к жизни, интерес к науке, конечно, зажигателен. Я с таких людей всегда стараюсь брать пример, а человека, с которого берешь пример, всегда хочется видеть чаще. Быть в Дубне и не увидеть Юрия Цолаковича - так не бывает.

- Надеюсь, у вашей группы возникнет долгосрочное сотрудничество с ЛНФ, нейтроны - полезный инструмент в ваших исследованиях, и Дубна ближе, чем Гренобль...

Я очень на это надеюсь. Во-первых, это дает дополнительную информацию, которой раньше у нас не было. С помощью нейтронного рассеяния можно получать такую информацию, которую другими способами в наших объектах не получить, это очень важно. С другой стороны... знаете, я верю в коллективный разум, в то, что сотрудничая с ведущими учеными из такой лаборатории, как ЛНФ ОИЯИ, мы можем продвинуться еще дальше не только по части экспериментального воплощения наших задумок, но и по части новых идей.

- Как вообще вам пришла в голову мысль искать несуществующие соединения?

Вообще, новые соединения в химии возникают регулярно, кто-то синтезирует то, чего раньше не было. Тут такая особенность: соединения, которые мы изучаем, они раньше считались, пожалуй, даже невозможными. Например, новые хлориды натрия, такие как NaCl₃ или Na₃Cl, или нынешние рекордные сверхпроводники, такие как LaH₁₀ или YH₆, это все возникло благодаря новым предсказательным методам, которые я создал, методам для предсказания стабильных химических соединений. А это родилось во многом из моих детских вопросов. Когда я учился в школе, я задавался таким вопросом: почему соединение NaCl возможно, а NaCl₂ или NaCl₃ нет? Что значит невозможно? Я же могу создать модель кристаллической структуры, которая имеет такой состав, я же могу рассчитать свойства, энергию вещества? Хорошо, оно будет нестабильно на какую-то конечную величину, но если поменять условия эксперимента или расчета на более высокие давления, сильное электрическое или магнитное поле, может, оно станет стабильным? Когда я создал метод, появилась возможность ответить на этот вопрос, и действительно, ответ оказывается положительным. Такие вещества, которые при нормальных условиях противоречат химической интуиции и действительно не проявляются, при высоком давлении возникают. Кстати, еще очень интересные вещи возможны в сильных магнитных или электрических полях, но это пока мало изучено. Мы пока в эту область не идем, кой-какие предсказания были сделаны другими группами, и они очень интересны: тоже возникают вещи, которые никак не вписываются в классические рамки.

- Здесь есть большие перспективы?

Да, безусловно, потому что большая часть вещества в звездах и планетах находится в условиях высоких давлений, а у некоторых звезд, например, нейтронных, очень сильные магнитные поля. Я думаю, что к самим нейтронным звездам это не очень интересно применять, потому что там химии нет, там суп из нейтронов и небольшого числа протонов, а газ вокруг нейтронной звезды находится в атомарном состоянии, и каково его поведение в очень сильном магнитном поле - это может быть очень интересный вопрос. Я пока не знаю, для чего это нужно изучать, кроме как поставить галочку, что мы это тоже знаем, но наверняка какие-то интересные приложения будут, наверняка, интересная новая химия, новая физика там тоже будут. Ведь оказывается, что в сильном магнитном поле атомы гелия не отталкивают друг друга, а, наоборот, образуют очень сильные химические связи. Это совершенно неожиданно. Наша химическая интуиция натренирована знанием поведения химических элементов при нормальных условиях, но это поведение меняется с изменением условий, возникает то, что нам кажется странным. И это важно, потому что во Вселенной есть уголки, где вещество находится в таких условиях. На нашей планете большая часть вещества находится в состоянии очень высокого давления, давление в центре Земли - почти 4 млн атмосфер, и, конечно, там химия совершенно другая.

Ольга Тарантина,
фото Елены Пузыниной