Предсказатель кристаллических структур учёные позаимствовали у самой природы
Учёные из России придумали, как усовершенствовать алгоритмы предсказания кристаллических структур химических веществ. Теперь открывать новые вещества можно будет в разы быстрее. Результаты исследования опубликованы в журнале Computer Phisics Communications.
Артем Оганов. Фото: Sk.ru.
В связи быстрым темпом возникновения новых технологий перед учёными-химиками стоит постоянная задача искать и создавать новые вещества и материалы: более прочные, лёгкие, стабильные, сверхпроводящие. Список инноваций в области материаловедения, необходимых в современном мире, можно продолжать долго. Искать и находить новые вещества непросто. Экспериментально делать это долго и дорого, так как нередко требует особых условий, сильно отличающихся от комнатных. Да и если не знать, где искать, на перебор всех возможных вариантов и поиск хорошего соединения уйдут тысячи лет. На помощь учёным приходят компьютерные технологии, позволяющие точно предсказывать структуры возможных соединений, а потом уже получать их экспериментально. В 2005 году исследовательская группа под руководством профессора Артёма Оганова разработала эволюционный алгоритм USPEX для предсказания кристаллических структур веществ. Это, вероятно, самый успешный алгоритм в этой области на сегодняшний день, используемый несколькими тысячами учёных по всему миру.
Если USPEX в качестве вводных данных получает информацию об атомах, которые войдут в состав нового вещества, то он не перебирает все возможные варианты, так как у компьютера на это также уйдёт очень много времени. Вместо этого алгоритм генерирует небольшое число случайных структур, стабильность которых оценивается, основываясь на энергии взаимодействия между атомами. Далее химики работают как селекционеры: «скрещивают» получившиеся структуры друг с другом, их «потомков» — друг с другом, и так пока не найдутся особо стабильные соединения.
В новом исследовании учёные из Сколтеха, МФТИ и Самарского технологического университета под руководством профессора Сколтеха и МФТИ Артёма Оганова усовершенствовали первый шаг алгоритма USPEX — генерацию исходных структур. Химики показали, что совсем случайная генерация не очень эффективна, а потому решили поучиться у природы и создать генератор случайных структур с помощью подсказок, заложенных в структуре уже известных веществ. Для этого они обратились к базе данных кристаллических структур и «скрестили» развиваемые Огановым подходы с топологическими методами профессора Владислава Блатова из Самары. Известно, что почти все из 200 тысяч известных неорганических соединений принадлежат к 3 тысячам топологических типов. Это знание даёт возможность сразу генерировать диапазон соединений, содержащий структуру, близкую к искомой. Согласно проведённым тестам, разработанный учёными генератор структур позволяет справляться с задачами по предсказанию в три раза быстрее.
«3000 топологических типов получаются из реальных структур путём абстракции. Если попробовать обратную операцию, то по этим 3000 типам можно сгенерировать практически все известные структуры и бесконечное число ещё не известных, но вполне разумных структур, и это дает великолепную стартовую точку для эволюционного механизма. Получается, что вы стартуете с такой точки, которая, скорее всего, включает область с оптимальным решением, и можно получить его сразу или получить что-то близко лежащее, а потом эволюционный механизм приведет вас к цели», — рассказывает Павел Бушланов, первый автор исследования и сотрудник лабораторий компьютерного дизайна материалов МФТИ и Сколтеха
Источник: mipt.ru