Аналіз всієї таблиці Менделєєва за допомогою унікальних алгоритмів дозволив хімікам з МФТІ підібрати список кандидатів на роль повноцінної заміни для алмазів в бурових установках і інших інструментах. Опис можливих “вбивць діамантів” було представлено в Journal of Applied Physics, повідомляє ria.ru .
“Ми створили своєрідну дорожню карту, яка допоможе нашим колегам-експериментаторам вибрати вдалі напрямки для пошуків нових надтвердих матеріалів. Обчислювальні методи допоможуть нам спростити ці пошуки, зробивши їх більш точними, дешевими і швидкими”, – заявив Олександр Квашніна .
Хімічні властивості, структура та багато інших характеристик всіх складних і важливих для людини молекул визначаються тим, як взаємодіють один з одним їх атоми, як влаштовані їх електронні оболонки і як різні зовнішні чинники, такі як температура і тиск, впливають на всі ці речі.
Незважаючи на те, що “роботою” всіх цих елементів молекул управляють досить прості фізичні закони, в тому числі принципи квантової механіки, передбачити їх властивості або поведінку вкрай складно. Це пов’язано з тим, що складність розрахунків різко зростає з додаванням кожного нового електрона, через що властивості навіть простих кристалів і молекул майже неможливо прорахувати навіть за допомогою найпотужніших суперкомп’ютерів.
Відомий російський хімік Артем Оганов вирішив цю проблему ще в 2004 році, створивши еволюційний алгоритм USPEX, що дозволяє швидко і точно обчислювати властивості кристалів різних речовин при самих різних температурах і тисках, “використовуючи лише їх хімічну формулу і назви елементів”.
За наступні роки Оганов, а також чотири тисячі інших вчених, використовували цей алгоритм для відкриття величезної кількості практично корисних і просто цікавих речовин, в тому числі незвичайних надпровідників на базі урану, надзвичайного міцного матеріалу з вольфраму, “ідеальною вибухівки” з атомів азоту і хрому , а також багатьох інших матеріалів.
У своїй новій роботі Оганов, Квашніна і Захід Аллаяра (Zahed Allahyari) використовували нову версію USPEX для вирішення ще більш серйозного завдання – пошуку матеріалу, яка б не поступався алмазу за твердістю і зносостійкості.
У цих пошуках вчені використовували не конкретні комбінації елементів, а фактично всю таблицю Менделєєва, перебравши комбінації самих різних елементів в спробах знайти гідну альтернативу “головним друзям дівчат”.
Поки що жоден з уже відомих і передбачених вченими матеріалів не може наблизитися до алмазів по твердості або стійкості до пошкоджень. Тим не менш, деякі з раніше невідомих речовин виявилися досить перспективними для того, щоб спробувати їх синтезувати.
При цьому, що найважливіше, властивості всіх відомих надтвердих матеріалів були передбачені з точністю, що перевищувала 90%, що означає, що алгоритм працює дуже точно. Це дозволяє використовувати його для подальших пошуків підходящого “претендента” на трон самого твердого та міцного матеріалу.
Наприклад, вчені несподівано виявили подібні властивості у гідриду марганцю, матеріалу, який, як вважали Оганов і його колеги, не міг володіти твердою фазою. Проте, він виявився більш твердим, ніж стишовит, надтверді форма двоокису кремнію, що виникає при ударах метеоритів, хоча і дещо менш зносостійким.
Як зазначив Квашніна, зараз він бере участь в проекті по синтезу пентаборіда вольфраму, одного з надтвердих речовин, найбільш близьких за своїми характеристиками до діамантів. Він сподівається, що ці досліди, а також подальші розрахунки за допомогою USPEX, допоможуть вченим зрозуміти, що саме керує твердістю і міцністю різних матеріалів і створити гідного конкурента для алмазів.
