Дизайн сверхпроводников, магнитов и взрывчатых веществ

Сохранить в закладки
5098
7
Сохранить в закладки

Химик Артем Оганов о роли тяжелых элементов, максимизации энергии и повышении температуры сверхпроводимости

Почему, благодаря Китаю, необходимо разрабатывать новые сильные магниты? Возможно ли создание принципиально новых взрывчатых веществ? Как с помощью машинного обучения предсказывать сверхпроводники, у которых нет теории? Об этом рассказывает профессор, PhD in Crystallography Артем Оганов.

Дизайн магнитов, сверхпроводников и взрывчаток. Эти три примера я решил объединить с целью показать разные стороны дизайна материалов, разные типы материалов и разные типы подходов, разные приемы, которыми можно пользоваться, разные философии.

Начнем с самого простого — с магнитов. Сейчас очень остро стоит задача создания новых магнитных материалов, сильных магнитов, которые бы не содержали редкоземельных элементов. Я думаю, что эта задача будет решена где-то к 2020 году, но сейчас она стоит очень остро.

Ситуация достаточно курьезная. Все сильные магниты, известные человечеству, содержат редкоземельные элементы. За несколько лет в течение 2000-х годов Китаю удалось монополизировать — пока другие не обращали на это внимания, Китай потихонечку монополизировал все ресурсы редких земель в мире — 97%, а по некоторым данным, 98% редкоземельных месторождений. И подобный же процент обогатительных фабрик и перерабатывающих заводов.

Если вы хотите производить сильные магниты — а для них масса применений: в обычном автомобиле более 20 приборов, которые основаны на сильных магнитах, ветроэлектростанции, приливные электростанции требуют сильных магнитов, — вам необходимо закупать редкие земли у Китая. Китай очень быстро, очень стабильно повышает цену на редкие земли. За несколько лет цена увеличилась в несколько раз. И у вас нет выхода: либо покупать по колоссальным ценам эти элементы у Китая, либо придумать обходный маневр.

Китай поступил самым умным способом: ему удалось монополизировать кусок периодической таблицы. Кто-то монополизирует производство зерна, но это все ерунда. Китай монополизировал химические элементы. Это беспрецедентный случай в истории. И сейчас, особенно американским правительством, щедро финансируются программы по созданию новых магнитов, не содержащих редкоземельных элементов.

Почему все сильные магниты содержат редкие земли и как это можно обойти? Самый сильный магнит, известный человечеству (это хороший пример, чтобы рассмотреть модель обходного маневра), основан на трех элементах: неодиме, железе и боре. Рассмотрим, какие роли эти три элемента выполняют.

С первого взгляда может показаться, что редкоземельные элементы используются потому, что у них наибольшее число f-электронов, которые могут быть неспаренными, и, таким образом, ион редкоземельного элемента может иметь наибольший, рекордный магнитный момент. Тем не менее это не так. В упомянутом мной магните — неодим, железо, бор — неодим вообще не несет никакого магнитного момента, как это ни странно. Магнитные свойства обязаны целиком атому железа. Тогда для чего там нужен неодим? Почему все хорошие магниты основаны на редких землях?

Дело в том, что сам магнетизм является свойством релятивистским, то есть без эффектов теории относительности никакого магнетизма вообще не было бы. Но это мы сейчас отставим в сторону и рассмотрим немного другой магнитный эффект под названием «спин-орбитальное взаимодействие». Если бы не было этого эффекта, то направление магнетизации в материалах невозможно было бы удержать. Направление намагниченности вертелось бы при сколь угодно малом возмущении системы. Грубо говоря, вы подули на ваш магнит, и направление магнетизации сбилось. Единственное, что удерживает это направление, — это сама кристаллическая структура, и необходимым условием является сильный релятивистский эффект под названием «спин-орбитальное взаимодействие».

Релятивистские эффекты происходят оттого, что внутренний электрон атома на очень большой скорости проходит мимо ядра атома.

Чем тяжелее атом, чем больше у него протонов, чем больше заряд ядра атома, тем быстрее электрон движется в его окрестности и тем сильнее релятивистские эффекты. Таким образом, сильные релятивистские эффекты возникают благодаря тяжелым атомам. И неодим в этом магните играет именно эту роль — он создает спин-орбитальное взаимодействие, которое фиксирует направление магнетизации. Магнетизация создается атомами железа, а неодим ее фиксирует.

Редкоземельные элементы, таким образом, играют достаточно тривиальную роль. Они играют роль просто тяжелого элемента.

Итак, просто тяжелый элемент, в данном случае редкие земли, магнитный элемент — железо, и как третий можно использовать либо другой магнитный элемент, либо такой элемент, как бор, который просто является связкой, которая стабилизирует эту структуру, обеспечивая ей способность оставаться устойчивой при высоких температурах, что тоже очень важно для многих приложений.

Решить эту задачу можно. Если бы сильные магнитные свойства были обязаны тому, что у атома редкоземельного элемента много неспаренных f-электронов, то побить такие магниты было бы совершенно невозможно. Но оказывается, что дело совсем не в этом, и все, что нужно, — это заменить редкоземельный атом атомом какого-то другого тяжелого элемента. На самом-то деле редкие земли не являются самыми тяжелыми. Самый тяжелый редкоземельный элемент — номер 71, лютеций. А ведь есть номер 72 — гафний, а есть 73 — тантал, есть 74 — вольфрам, есть 75 — рений и так далее вплоть до 83-го — висмута. Дальше уже идут радиоактивные элементы.

Теоретически вы можете, конечно, сделать сильный магнит на основе урана. Но если вы не хотите иметь дело с ураном, то есть висмут, есть свинец, есть тантал, вольфрам, рений, гафний и так далее. Проблема состоит в том, что некоторые из упомянутых мной элементов достаточно редки. А некоторые с трудом образуют устойчивые или тугоплавкие соединения. Примером может послужить висмут или свинец, которые плавятся при очень низких температурах. Тем не менее это дает нам арсенал элементов, с помощью которых мы эту задачу можем обойти.

Но тут возникает ряд технических проблем. Дело в том, что эти двойные или тройные системы достаточно трудно изучать. Очень много разных вариантов химических составов, очень трудно выделять эти химические соединения, может уйти много лет на эту задачу.

Эта задача решаема, и экспериментаторы ею занимаются, но если есть соответствующий вычислительный метод, теоретический метод, гораздо проще атаковать эту проблему с помощью теории.

Такого рода задачи у нас сейчас решаются достаточно успешно. Мой студент уже нашел несколько такого рода магнитных материалов. Один из них уже получен в лаборатории, и мы сейчас занимаемся экспериментальным изучением свойств этого материала. Предсказано несколько материалов, и их свойства предстоит изучить. Вполне возможно, что некоторые из этих материалов окажутся лучше или по крайней мере сопоставимыми с уже имеющимися рекордсменами среди магнитов.

Давайте рассмотрим взрывчатки. Большинство известных взрывчаток, по сути, все хорошие взрывчатки содержат азот. Принцип работы взрывчатки можно свести к тому, что наиболее устойчивым состоянием атомов азота является молекула N2 с очень сильной тройной связью. Эта сильная тройная связь гораздо сильнее, чем три одинарные связи, образованные атомами азота. Поэтому если в двух соседних молекулах атомы азота «видят» друг друга и вы их сталкиваете лбами, давая возможность создать молекулу N2, то мгновенно будет образована эта молекула с огромным выделением энергии. Это выделение энергии как раз и будет производить взрыв.

Когда мы говорим о дизайне материалов, то большинство теоретических методов апеллирует к минимизации энергии, то есть к производству наиболее устойчивого состояния.

Взрывчатка же есть наименее устойчивое состояние. Наименее устойчивым состоянием вещества являются атомы. Задача для компьютера, для теории на данный момент выглядит плохо сформулированной. Вы должны максимизировать энергию, а не минимизировать, но не максимально максимизировать энергию, а получить некую промежуточную энергию, которая является максимальной для всех синтезируемых состояний вещества.

Эта задача трудно формализуема, трудно решаема. И способов решения на данный момент, как мне кажется, нет. Что вы можете — это взять уже существующие молекулы взрывчатых веществ и либо каким-то образом их комбинировать, либо каким-то образом оптимизировать, например, плотность этой взрывчатки, найти новые формы упаковки взрывчатых молекул. Это, пожалуй, максимум того, что вы можете сделать.

Это довольно-таки негусто. Но кто знает, может быть, в один день принципы, по которым можно было бы изобретать новые взрывчатые вещества, будут изобретены. В принципе, эта задача интересная, она имеет далеко не только военное приложение, даже в большей степени гражданское применение. Для того чтобы пробивать тоннели, шахты, штольни и так далее — для всего этого используются, конечно же, взрывчатые вещества.

Последняя задача, пожалуй, наиболее интересная — это дизайн новых сверхпроводников. Теория сверхпроводимости — это крайне интересная вещь. Интересна она тем, что есть по меньшей мере два типа сверхпроводников.

Обычные сверхпроводники, создание теории которых заняло более 40 лет и увенчалось Нобелевской премией Бардину, Куперу и Шрифферу.

Поначалу считалось, что создать теорию сверхпроводимости будет очень легко. Вольфганг Паули в разговоре перепоручил эту задачу одному из своих самых талантливых помощников, а когда помощник не справился, он решил, что помощник тупой. Но на самом деле эта задача была решена спустя много десятилетий и совсем нетривиальным путем. Для части сверхпроводников у нас существует теория, которая достаточно хорошо работает, но, к сожалению, расчеты, связанные с этой теорией, крайне трудоемки для компьютера. И поставить их «на поток», автоматизировать и массово производить то, что нужно для решения оптимизационной задачи, очень сложно.

В 1980-х годах был открыт новый класс сверхпроводников — купратные, а затем и сверхпроводники на основе железа. Для этих сверхпроводников до сих пор нет никакой теории. И вообще нет возможности вычислять их свойства.

Какие свойства нас интересуют? Прежде всего температура сверхпроводящего перехода. Мы хотим, чтобы были сверхпроводники желательно при комнатной температуре, уж по меньшей мере при температуре, которая сильно выше азотной. Азотная температура — 77 К (кельвин), рекорд сверхпроводимости — 135 К, но эти сверхпроводники-рекордсмены достаточно неудобные в обращении: хрупкие, нековкие, слоистые. И хотелось бы иметь сверхпроводник, который был бы ковким, состоял бы из дешевых элементов, нетоксичный и при температуре как можно более близкой к комнатной. Такого сверхпроводника на данный момент нет.

Для классических сверхпроводников теория существует, но рекорд классической сверхпроводимости, основанной на взаимодействии электронов с колебаниями решетки, — 40 градусов кельвина, это даже ниже азотной. Для купратов рекорд 135 К, но нет теории, нет возможности предсказывать.

Вернее, не было возможности. Сейчас такая возможность появляется, и мои коллеги из Северной Каролины, российский ученый Александр Тропша и украинский ученый Александр Исаев, предложили новый подход, который идет в обход этой сложности.

Как выясняется, не обязательно понимать механизм сверхпроводимости для того, чтобы ее рассчитать. Существуют подходы, основанные на так называемом машинном обучении.

Вы берете базу данных — у них база данных состояла порядка из пятисот разных сверхпроводящих соединений, — химический состав, кристаллическая структура, температура сверхпроводящего перехода или какое-то другое свойство. Вы подбираете некий дескриптор данного вещества, то есть типы химических атомов и их расположение в пространстве, и, например, заряды на атомах. Вы подбираете те характеристики вещества, которые, как вам кажется, наиболее точно, наиболее тесно связаны с тем свойством, которое вы хотите описать. Они создали такого рода дескриптор, прошлись по этой базе данных и создали модель — собственно, компьютер создал модель. Эта модель не включает человеческое думание, это модель, которую компьютер сам, как черный ящик, создает. И эта модель описывает практически все известные сверхпроводники с очень хорошей точностью и позволяет предсказывать температуру сверхпроводящего перехода для любого нового вещества, даже если мы не понимаем механизмы перехода.

Таким образом, появляется возможность дизайна новых сверхпроводников, даже тех, для которых нет теории. Это совершенно новый, несколько алхимический поворот в истории дизайна материалов, и мне кажется, что у этого подхода, связанного с машинным обучением, где компьютер учится неким закономерностям из таблицы чисел, есть большое будущее.

Над материалом работали

Читайте также

Внеси свой вклад в дело просвещения!
visa
master-card
illustration