luckyea77 (luckyea77) wrote,
luckyea77
luckyea77

Category:

Александр Квашнин, Сколтех — о компьютерном предсказании материалов, отношениях между ИИ и учеными



Идею, что в лабораторных условиях можно синтезировать материал с заранее заданными свойствами, высказал еще Александр Михайлович Бутлеров в XIX веке. Он утверждал, что, варьируя количественное соотношение и условия взаимодействия исходных продуктов, можно создавать сотни и тысячи полимерных веществ с разными свойствами. Раньше для этого использовали микроскоп и пробирки. Но уже в 70-х годах XX века начали применять компьютерное моделирование — сначала для исследования процессов на атомном уровне, а затем для прогнозирования конкретных свойств будущих материалов. Александр Квашнин на фестивале Science Bar Hopping рассказал, в чем суть современной алхимии, как производят искусственные алмазы и почему при создании новых материалов компьютер не сможет полностью заменить человека.

Александр Квашнин — физик, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории компьютерного дизайна материалов Сколтеха. Ведет собственный проект по компьютерному поиску новых сверхтвердых материалов, который выиграл грант РНФ.

Секрет современных алхимиков — давление и температура

— Создание материалов с заданными свойствами — это такая современная алхимия?

— Раньше новые материалы находились либо наудачу, либо методом проб и ошибок: попытался, у меня получилось хорошо — все, пошло дело развития. Сейчас мы поняли, что такой подход не очень хороший. Во-первых, непонятно, получится или нет: будешь экспериментировать, сделаешь материал, раз, а он не тот, сделаешь еще, и опять не то. А все это долго, дорого и, получается, неэффективно. Сейчас современные компьютерные методы моделирования позволяют исходить не из того, что нам нужен какой-то материал, а отталкиваться от того, что нужно определенное свойство. И под него уже создавать материал. Если раньше хотели, рассматривая алхимию, какое-то одно вещество превратить в другое, чтобы его свойство улучшить, медь в золото, воду в вино или еще что-то, то сейчас мы ничего превращать не хотим, просто делаем новое. Мы задаем свойства для того, чтобы этот материал приспособить к определенному виду деятельности.

— Насколько мы вообще знаем, как устроено вещество? От чего зависят такие характеристики: твердость, прочность, тугоплавкость и прочие параметры?

— Все свойства материала зависят, в первую очередь, от его структуры. Сама структура зависит от свойств химической связи, от самих химических элементов. Есть несколько типов химической связи.

Если рассматривать углерод, то у него ковалентный тип связи, самая прочная связь, которая у нас есть. Она направленная, это значит, что один атом углерода соединяется с другим атомом углерода только под определенным углом и строго на определенном расстоянии. Если эти условия будут не выполнены, связь будет непрочная. В алмазе все эти условия выполнены, и там наиболее прочные связи. Это приводит к тому, что структура является самой твердой. Это одновременно и плюс, и минус: если есть какой-то дефект, нарушение этого строгого упорядочения, сила связи падает. Из-за этого алмаз легко ломается. То есть он очень твердый, но стоит молотком по нему ударить, и он сразу разваливается.

Если рассматривать металл, то там все совсем по-другому. Там есть металлическая связь, удерживающая все атомы, которые находятся рядом с этим атомом металла независимо от того, под каким углом они сидят и плюс-минус на каком расстоянии находятся. Структура здесь может легко перестраиваться. По ней молотком ударили — она сплющилась, то есть атомы там перестроили свое положение и не потеряли свою структуру. В случае алмаза, если у нас одна связь ломается, то все переходит в большую трещину. А металлы могут перестраиваться. Все остальные материалы являются промежуточными между этими двумя случаями. Поэтому если мы знаем тип химической связи, знаем атомы, то в принципе мы можем понять, почему одно вещество у нас твердое, а другое — нет.

— Мы знаем, что для получения, например, того же алмаза нужно нагреть кусок углерода до полутора тысяч градусов и приложить к нему давление в несколько десятков тысяч атмосфер. Что происходит при этом с веществом? И почему после того, как воздействие прекратилось, углерод не возвращается в исходное состояние?

— Это интересный вопрос и в большинстве случаев загадка. У нас основное состояние углерода — графит. Как в карандаше. Теперь, если мы к этому графитовому порошку применяем высокое давление и еще греем, у нас что получается? Графит — это слоистый материал. Под давлением эти слои начинают сближаться друг с другом, температура позволяет атомам еще быстрее двигаться, быстрее проводить реакцию. Получается, что соседние слои графита соединяются друг с другом. То есть это давление настолько большое, что атомы углерода сблизились и образовали между собой сильную углеродную связь. В результате чего получается алмаз. После того, как мы графит подавили, нагрели, получили алмаз, мы убираем давление и остужаем. По большому счету, так как алмаз — это метастабильная фаза углерода, он должен был перейти обратно. Расслоиться до состояния графита и стать графитом.

Метастабильная фаза — это состояние системы, в котором она сохраняет относительную устойчивость. Может длиться сколько угодно долго при отсутствии сильных возмущений. Когда возмущения возрастают, система переходит в абсолютно устойчивое состояние.

Но он не переходит, потому что при нормальных условиях у него есть локальный энергетический минимум в метастабильной структуре. Она находится в локальном энергетическом минимуме, и если этот алмаз нагреть, он сразу сгорит и превратится в графит.

— Огромное давление и температура для производства тех же алмазов ведь не являются обязательными? То есть для того, чтобы построить правильную кристаллическую решетку, прикладывать безумную энергию не нужно, но результат будет так же стабилен.

— Есть одна техника, которая так и называется, high pressure, high temperature (с англ. «высокое давление высокая температура» — «Хайтек»). В больших прессах нагревают и сдавливают графит. Еще выращивают искусственные алмазы методом химического осаждения. Там немножечко другой механизм: имеется затравка из того же алмаза, и атомы углерода, когда из газа осаждаются на поверхность этой затравки, приобретают структуру подложки. И тоже получается алмаз. Это немножко другой процесс. Мы не с нуля, не с графита идем растить его, здесь другая история. Но все же пока самый эффективный способ получать чистые алмазы — применять давление и температуру. Иначе такие сильные связи нельзя образовать. Чем сильнее связь, тем большую энергию нужно приложить, чтобы ее либо разрушить, либо создать. И так как связь углерод-углерод очень сильная, соответственно, нам и нужны высокие давления и высокие температуры.

— Из школьного курса физики мы помним, что электрический ток — это направленное движение электронов и других носителей заряда. Вдруг оказывается, что обычный сероводород, часто радующий своим ароматом москвичей, если его остудить до -70 °C, оказывается сверхпроводником. Так что же там двигается?

— Тут есть один нюанс. Тот сероводород, к которому мы все привыкли и который знаем, — это газ. Он при нормальных условиях ничего не проводит. Если его сжать до полутора миллионов атмосфер, он становится сверхпроводником. Если в алмазах мы говорили про давление в несколько десятков тысяч атмосфер, то здесь — несколько миллионов атмосфер. При этих условиях сероводород конденсируется, образуется кристалл, где есть водород и сера. Ну и, соответственно, там все те же электроны и та же теория, что изучалась в школе по сверхпроводимости. Она и тут работает. Здесь весь трюк в том, что это не просто газ, а кристалл. У нас настолько близко сдвигаются атомы водорода и серы при этом давлении, что они образуют устойчивые связи, и водород образует связей больше, чем он может в обычном состоянии. В обычном состоянии он образует молекулу H2. А здесь водород связан с атомом серы, еще с одним атомом серы и еще… Больше связей, чем есть в обычном состоянии, как раз за счет давления. Один электрон, который есть у атома водорода, присоединяется к другим атомам. Не только с одним водородом делит, а с большим количествоматомов, за счет чего получается химическая связь. Как раз за счет этого огромного давления.

Компьютер умный, но рассуждать не умеет

— Компьютерное предсказание материалов — о чем это? К чему нужно готовиться, чтобы заниматься такой деятельностью?

— Это деятельность новая, и сказать, что она относится либо к физике, либо к химии нельзя. Это мультидисциплинарная область знаний. Потому что речь идет о пересечении большого количества наук в области компьютерного материаловедения. Тут и материалы, и физика, и квантовая физика, просто неорганическая химия, физика высоких давлений — тоже отдельная большая область, и тут же сверхпроводимость. И производство, которое потенциально может быть. Надо разбираться в возможных экспериментальных методах, а не быть теоретиками, которые решают задачки, интересные только им. В данном случае важно знать, что нужно на практике. У ученого должен быть большой кругозор, чтобы активно и успешно заниматься в этой области, делать что-то полезное.

— А какие нужны вводные данные для компьютерного предсказания? И что получается в итоге?

— В настоящее время мы пользуемся эволюционным алгоритмом предсказания кристаллических структур, который разработан Артемом Огановым в нашей лаборатории.

Артем Оганов — российский кристаллограф-теоретик, доктор физико-математических наук, профессор РАН. Родился в Днепропетровске в 1975 году, закончил факультет геологии МГУ по специальности «кристаллография и кристаллохимия». Разработал теоретические методы, позволяющие предсказывать и создавать материалы с заданными свойствами. Предсказанные им структуры и соединения веществ (сверхтвердая структура бора, прозрачная форма натрия, стабильные соединения гелия и натрия и другие) впоследствии были подтверждены экспериментально и оказали существенное влияние на материаловедение, физику и химию.

Вводными данными для компьютерного поиска являются только типы атомов, которые будут в нашем искомом соединении. В случае с сероводородом можно задать, что здесь присутствуют X атомов водорода, Y атомов серы и условия, допустим, давление. После этого по результатам компьютерного поиска будет большой набор кристаллических структур различных составов, которые стабильны, нестабильны и метастабильны. А затем их нужно отдельно исследовать на предмет искомых свойств. В данном случае — сверхпроводимость. Получается, у нас есть набор структур, мы берем каждую, исследуем ее потенциальные сверхпроводящие свойства, область ее стабильности. Смотрим, как она будет вести себя с понижением давления, с повышением, как это влияет на свойства. И после этого уже можем дать некие рекомендации для коллег-экспериментаторов, кто хочет получить какой-то новый материал. Мы работаем вместе с ними, даем рекомендации, после этого у нас выходит дело на синтез и экспериментальные измерения.

— А зачем вообще нужен ИИ для производства материалов? Почему нельзя, как в старые давние времена: ученый, пробирка, лаборатория?

— Сейчас это нужно для эффективности и скорости. Если взять цепочку «ученый-пробирка-лаборатория и так далее», то это, во-первых, очень долго. Ведь это отдельная и очень сложная большая наука, там много нюансов. Чтобы провести один эксперимент, нужна подготовительная работа на полгода или больше. Получается, эксперименты могут длиться не один год. Как раньше было — просто берут, смотрят предыдущие работы и исследования или книжки читают и подбирают. Допустим, мне кажется, что такой-то материал будет хороший. Потому что годами его синтезируют. В итоге получилось, а получил не то. Потому что экспериментатор думал: если он смешает элементы A и B, он получит соединение AB, а на деле там существуют и AB2, и AB3, и еще куча всего, а он про это не знал. И он синтезировал что-то, в итоге даже не знает, что. Измерил свойства непонятно чего. А потом начинает переделывать, меняет температуру, не 1 500 делает, а 1 000 °C, допустим, опять синтезирует и что-то получилось, но опять не то. Потому что он опять не знает, что получил. И так он год за годом будет стараться, тратить время, ресурсы и деньги на то, чтобы что-то получить. В данном случае ИИ и компьютерные методы нужны для того, чтобы всё это промоделировать на компьютере. Это не годами идёт, может быть, месяц-два-три. Но за сравнительно короткое время нарабатывается набор необходимых данных, которые можно проанализировать, сделать вывод, что именно нужно, чтобы синтезировать материал, обладающий именно вот этими свойствами, которые нам нужны. Цепочка, к которой сейчас стремятся, построена на том, что есть ученые, которые занимаются фундаментальной наукой, дальше есть экспериментаторы, которые пытаются что-то сделать, а потом есть индустрия или промышленность, нуждающаяся в новых материалах и открытиях. Раньше все начиналось с экспериментаторов, которые пытались что-то сделать. А сейчас все начинается шагом раньше — на стадии теории, где у нас минимум входных данных и максимум выходных данных, которые делаются за минимальное количество времени. И после этого у нас второй шаг — эксперимент, будут проводить уже не 100 или 200 экспериментов, а всего 1-2, максимум 5, после чего они уже получат то, что необходимо на шаге третьем — в промышленности. ИИ помогает ускорить время для разработок: от идеи до успешной ее реализации.

— Какие риски, ошибки могут возникнуть с помощью ИИ?

— В большинстве случаев все равно нужен человек, который за всем этим следит. Потому что ИИ — это хорошо, но анализировать результаты, делать выводы он не умеет. Поэтому, получив некий результат на основе работы ИИ, их все равно должен посмотреть человек, проанализировать и сказать, что не так. Бывает такое, что кто-то пойдет, запустит работу программы, но допустит ошибку, которую сам не заметил. Для компьютера это все равно данные, и он считает, что так правильно. Человек подойдет, посмотрит, скажет: «Так это ж невозможно физически!». А для компьютера все сойдет. Он все обработает правильно, выдаст результаты, которые правильны в условиях этой задачи, но на деле окажется, что все совсем неправильно. Поэтому доверять ему нужно относительно простые, рутинные задачи, а анализ и заключения о выводах, о результатах того, что получилось по-прежнему остаются за человеком. За ученым, который может не только смотреть на входные данные, но и анализировать полученные результаты, исходя из собственного опыта, из данных других наук, проводя аналогии. Тут все довольно сложно, и ИИ сюда еще не скоро попадет.

Альтернативные технологии

— В нашей стране в 90-х был разработан какой-то особенно дешевый беспрессовый способ производства алмазов высокого качества. Так почему же наша страна — не мировой лидер в производстве алмазов?

В Троицке есть Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов. Он является практически лидером в мире по производству синтетического монокристаллического алмаза. Насколько я знаю, у него даже есть сертифицированное оборудование. Было подтверждено, что действительно эти алмазы являются самыми чистыми и бездефектными. Насколько я знаю, они производятся как раз методом высоких давлений и высоких температур. Почему другие организации не производят алмазы? Может, они и занимаются этим, но производят поликристаллические алмазы. А это уже немного другая область применения. В основном они используются где-нибудь в бурении, в инструментах. Шлифовальных, дробильных и так далее. У нас есть производство, но Россия — не мировой лидер в этом плане. Почему? Много причин, почему у нас с 90-х годов все как-то на убыль пошло.

Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов (ТИСНУМ) — научно-исследовательская организация, специализирующаяся на разработке технологий синтеза крупных монокристаллических алмазов и материалов на основе углерода с помощью высоких давлений и температур. Головная организация национальной нанотехнологической сети по направлению «Конструкционные наноматериалы».

— А какой опыт мы можем передать зарубежным коллегам по производству алмазов и что, наоборот, перенять у них?

— Мне кажется, здесь, скорее, вопрос не в передаче опыта. Здесь важен другой вопрос — зачем? В Китае, например, или в США налажено хорошее производство алмазов, особенно в Китае, поликристаллических и монокристаллических. Они производятся для использования в разных инструментах. В США то же самое. Если речь идет просто о научных исследованиях для создания прототипов, датчиков или еще чего-то, где нужен высококачественный алмаз, то это у нас все есть и в принципе есть в каждой стране, где более-менее развита наука, где такое производство, не крупномасштабное, но лабораторное имеется. И здесь вопрос: зачем перенимать этот опыт? На мой взгляд, если перенимать для того, чтобы у себя организовывать производство тех же поликристаллических алмазов, которые обширно делает Китай, и делать их у нас, это как-то нелогично. Потому что гораздо лучше будет вариант организовать производство чего-то нового. Новая технология обработки алмазов, допустим. Либо открыть производство другого материала, который может заменить алмаз. Это хорошая область. А просто копировать то, что уже 20–30 лет делается в других странах, мне кажется, не тот подход, который нужен. Опыт можно перенять, но будет ли он полезен? Тем более, что китайские алмазы дешевые и достаточно хорошие, а наши первые лет пять-шесть, а то и больше, будут все равно дороже. Смысла в этом я не вижу.

— Как вы можете сравнить развитие технологий в промышленности, в производстве материалов 10–30 лет назад? И чего нам ждать в будущем?

— Скорее всего, все будет развиваться сначала со стороны компьютерных методов, потому что это наименее затратная область и одновременно наиболее динамично развивающаяся в настоящее время. Она также будет дальше развиваться. С тем, чтобы уменьшить риски неправильного предсказания и поиска материала и увеличить точность этих методов для того, чтобы дальше возникало меньше ошибок в шагах, касающихся эксперимента. В идеале, конечно. Про эксперимент сказать тяжело, потому что это довольно трудоемкие процессы. На мой взгляд, изменения там могут быть связаны с применением каких-то новых материалов, экспериментального оборудования.

Tags: интервью, материал, технологии
Subscribe

Posts from This Journal “материал” Tag

promo luckyea77 june 19, 23:05 11
Buy for 10 tokens
Часть 1 Часть 2 Часть 3 Часть 4 Часть 5 Март 2018 года Индустриализация стала основным инструментом достижения экономического богатства стран, начиная с появления прядильных машин в конце XVIII века; при смене технологических укладов менялись местами мировые промышленные лидеры. Какой…
  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your IP address will be recorded 

    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 3 comments