Химики из МФТИ, «Сколтеха» и Самарского технического университета в разы ускорили работу революционного алгоритма USPEX, помогающего открывать сверхпроводники и причудливые соединения урана и редких металлов. Его новая версия была представлена в журнале Computer Physics Communications.
«При этих расчетах вы стартуете с такой точки, которая, скорее всего, включает область с оптимальным решением. Получается, что можно получить его сразу или найти что-то близко лежащее, а потом эволюционный механизм USPEX приведет вас к цели», — рассказывает Павел Бушланов из Сколковского технологического института, чьи слова передает пресс-служба вуза.
Химические свойства, структура и многие другие характеристики всех сложных и важных для человека молекул определяются тем, как взаимодействуют друг с другом их атомы, как устроены их электронные оболочки и как различные внешние факторы, такие как температура и давление, влияют на все эти вещи.
Несмотря на то, что «работой» всех этих элементов молекул управляют достаточно простые физические законы, в том числе принципы квантовой механики, предсказать их свойства или поведение крайне сложно. Это связано с тем, что сложность расчетов резко растет с добавлением каждого нового электрона, из-за чего свойства даже простых кристаллов и молекул почти невозможно просчитать даже при помощи самых мощных суперкомпьютеров.
Известный российский химик Артем Оганов заметно упростил эту проблему еще в 2004 году, создав эволюционный алгоритм USPEX, позволяющий быстро и точно вычислять свойства кристаллов разных веществ при самых разных температурах и давлениях, «используя лишь их химическую формулу и названия элементов».
За последующие годы Оганов, а также четыре тысячи других ученых, использовали этот алгоритм для открытия огромного множества практически полезных и просто интересных веществ, в том числе необычных сверхпроводников на базе урана, настоящих соединений гелия, чрезвычайного прочного материала из вольфрама, «идеальной взрывчатки» из атомов азота и хрома, а также многих других материалов.
Секрет успеха USPEX заключается в том, что он не перебирает все возможные комбинации атомов и конфигурации их электронных оболочек, а генерирует несколько случайных структур, формально совпадающих по составу с изучаемым кристаллом или молекулой. Затем он пытается найти самые стабильные из них, используя своеобразный виртуальный аналог эволюционных процессов, «скрещивая» подобные комбинации атомов.
Подобный подход, как отмечает Бушланов, позволяет очень резко ускорить просчет свойств этих материалов, однако его можно заметно ускорить, если повысить качество самых первых случайно созданных структур. Если они будут изначально обладать более интересными свойствами, процесс их эволюции многократно ускорится, что снизит или требования к компьютеру, или повысит скорость поиска новых веществ.
Как это сделать? Ученые обратили внимание на то, что все существующие в природе кристаллы и молекулы устроены далеко не случайно. Как недавно выяснили российские химики, существует набор из нескольких тысяч возможных способов организации атомов, определяющий структуру всех 200 тысяч неорганических соединений, известных науке.
Эти «природные» конструкции, как заметили Оганов, Бушланов и их коллеги, составляют абсолютное меньшинство в том наборе вариантов, которые вырабатывает USPEX на первых этапах работы. Подобное наблюдение заставило их проверить, что произойдет, если заставить алгоритм использовать только подобные варианты организации молекул.
Как оказалось, подобное упрощение не ограничило то многообразие материалов, которые может вырабатывать USPEX, не зная ничего о структуре аналогичных веществ, но при этом оно ускорило работу алгоритма примерно в три-четыре раза. Оганов и его коллеги надеются, что это улучшение поможет предсказывать свойства более сложных кристаллов и молекул, а также начать систематически изучать поведение веществ, находящихся на грани стабильности.