биомолекула.ру. Взгляд изнутри.
 

Логин:
Пароль:


Лаборатория компьютерного дизайна материалов: что может дать USPEX?

[3 июля, 2016 г.]

Лаборатория компьютерного дизайна материалов МФТИ под руководством известного российского ученого Артема Ромаевича Оганова занимается предсказанием кристаллических структур. Ученые, обладая уникальным инструментом для теоретического анализа вещества, работают над колоссальным множеством проектов. Они ищут новые полезные материалы, исследуют содержимое земных недр и других планет, улучшают лекарства и решают задачи по предсказанию структуры белков. В лаборатории трудится большой интернациональный коллектив, часть направлений работы которого описана в этой статье.

Биология в московском Физтехе

XXI век называют «веком живых систем», изучение которых возможно только на стыке наук — математики, физики, химии и биологии. Биомолекула представляет серию материалов о том, как занимаются биологией в Московском физико-техническом институте (МФТИ).


Оглавление

  1. Лаборатория биофизики возбудимых систем: сердце, его вихри и фотоуправление
  2. Лаборатория компьютерного дизайна материалов: что может дать USPEX?
  3. Лаборатория стволовых клеток мозга: мир новых нервных клеток у взрослых животных
  4. Лаборатория перспективных исследований мембранных белков: от гена к ангстрему
  5. От слов к делу: технологию CRISPR-Cas впервые применили для лечения онкозаболеваний

Артем Ромаевич Оганов — всемирно известный российский ученый, разработавший алгоритм предсказания кристаллических структур USPEX [1], сейчас руководит лабораторией компьютерного дизайна материалов в МФТИ. Название алгоритма USPEX расшифровывается как Universal Structure Predictor: Evolutionary Xtallography, а читается просто — «успех». И таки да, успех у Оганова есть, т.е. есть настоящие и дивные открытия, уникальная методика, крутые публикации, признание, лаборатории в трех странах мира, много людей и т.д. В рейтинге цитируемости ученых Артем Оганов занимает высокое место: значение его индекса Хирша составляет 50 (по данным google.scholar). Для примера, 84% нобелевских лауреатов имеют значение индекса Хирша выше 30 [2].

Лаборатория компьютерного дизайна материалов в МФТИ была создана в 2013 году. Сейчас в ней работает активный коллектив молодых ученых из разных стран. Основное оборудование, применяемое для исследований, — суперкомпьютер. Некоторые рабочие моменты в лаборатории компьютерного дизайна материалов организованы очень необычно. Например, периодически отчетные семинары проходят в уютной чайной в центре Москвы. Обсуждение проделанной работы совмещается с отдыхом в приятной компании. В такой атмосфере просто невозможно не задать коллегам массу вопросов! Про проекты, которые ведутся под руководством Артема Оганова, и про некоторые открытия лаборатории расскажем ниже.

Секрет USPEXа

В целом, USPEX решает ключевую задачу теоретической кристаллохимии. Эта проблема стояла перед учеными очень давно и считалась неразрешимой. Собственно, вопрос формулируется так: какая структура будет у вещества с известным химическим составом в тех или иных условиях? Лучшие умы ломали над этим голову, а редакторы журнала Nature в свое время сокрушались, что успех так далек [3, 4]. Тем не менее ответ был найден. Сейчас USPEX используют многие ученые мира, и метод продолжает быстро развиваться. Кроме предсказания кристаллических структур, USPEX можно использовать и для других целей: прогнозировать структуру наночастиц, полимеров, поверхностей и 2D-кристаллов. Он может эффективно предсказывать стабильные химические соединения и структуру вещества, имея на входе только названия химических элементов [5]. Например, ученые проанализировали с помощью алгоритма USPEX, какие соединения из марганца (Mn) и бора (B) являются стабильными, и в 2014 году опубликовали об этом статью [6]. Они теоретически доказали, что существует необнаруженное экспериментаторами соединение — борид марганца с формулой MnB3, а также уточнили структуру MnB4 (рис. 1). Оба положения затем полностью подтвердили экспериментально. Про это и многие другие свои открытия Артем Оганов рассказал в предновогодней лекции в Институте биоорганической химии (см. видео 1).

Структура MnB3 и MnB4

Рисунок 1. Структура MnB3 (слева) и MnB4 (справа). Данные получены с помощью алгоритма USPEX и опубликованы в 2014 году. Первое вещество ранее было неизвестно, структуру второго уточнили. Рисунок из [6].

Видео 1. «Запрещенная» химия. Вы узнаете, как с помощью компьютерных расчетов были открыты новые классы химических соединений, запрещенные «классической» химией, но всё же устойчивые под давлением, — такие молекулы могут существовать в недрах планет.

Предсказание кристаллических структур очень полезно для поиска новых материалов с заданными свойствами. Это намного более эффективный подход, чем традиционный экспериментальный метод проб и ошибок. Также с помощью компьютера можно изучать свойства веществ в экстремальных условиях, например прилагая к ним высокое давление, которое невозможно на поверхности Земли [7].

Как работает USPEX?

Суть поиска наиболее устойчивой структуры сводится к вычислению такого состояния вещества, которое обладает наименьшей энергией. Энергия в данном случае зависит от электромагнитного взаимодействия ядер и электронов атомов, из которых состоит исследуемый кристалл. Ее можно оценить с помощью квантово-механических расчетов, основанных на упрощенном уравнении Шредингера. Так в алгоритме USPEX используется теория функционала плотности, которая получила развитие во второй половине прошлого века. Ее основная цель заключается в упрощении расчетов электронной структуры молекул и кристаллов. Теория позволяет заменить многоэлектронную волновую функцию электронной плотностью, при этом оставаясь формально точной (но на самом деле приближения оказываются неизбежными). На практике это приводит к уменьшению сложности вычислений и, как следствие, времени, которое на них будет затрачено. Таким образом, квантово-механические расчеты сочетаются с эволюционным алгоритмом в USPEX (рис. 2). Как же работает эволюционный алгоритм?

Схема типичного эволюционного алгоритма

Рисунок 2. Схема типичного эволюционного алгоритма. Рисунок из [19], адаптирован.

Искать структуры с наименьшей энергией можно перебором: случайно располагать атомы друг относительно друга и анализировать каждое такое состояние. Но так как число вариантов огромно (даже если атомов всего 10, то возможностей их расположения друг относительно друга будет порядка 100 миллиардов), то расчет занял бы слишком большое время. Поэтому успеха ученым удалось добиться только после разработки более хитрого метода. Алгоритм USPEX основан на эволюционном подходе (рис. 2). Сначала случайным образом генерируется небольшое количество структур и рассчитывается их энергия. Варианты с наибольшей энергией, то есть наименее устойчивые, система удаляет, а из наиболее устойчивых генерирует подобные и обсчитывает уже их. Одновременно случайным образом компьютер продолжает генерировать новые структуры для поддержания разнообразия популяции, что является неотъемлемым условием успешной эволюции.

Таким образом, решить задачу предсказания кристаллических структур помогла логика, взятая из биологии. Затруднительно сказать, что в этой системе есть ген, потому что новые структуры могут отличаться от своих предшественников очень разными параметрами. Наиболее приспособленные к условиям отбора «особи» оставляют потомство, то есть алгоритм, учась на своих ошибках, максимизирует шансы на успех в следующей попытке. Система довольно быстро находит вариант с наименьшей энергией и эффективно обсчитывает ситуацию, когда структурная единица (ячейка) содержит десятки и даже первые сотни атомов, тогда как предыдущие алгоритмы не могли справиться и с десятью.

Одна из новых задач, которая ставится перед USPEX’ом в МФТИ, — предсказание третичной структуры белков по их аминокислотной последовательности [8]. Эта проблема современной молекулярной биологии входит в число ключевых. В целом, перед учеными задача стоит очень непростая еще и потому, что рассчитать энергию для такой сложной молекулы, как белок, трудно. По словам Артема Оганова, его алгоритму уже удается прогнозировать структуру пептидов длиной примерно 40 аминокислот [9].

Видео 2. Полимеры и биополимеры. Какие вещества относятся к полимерам? Какова структура полимера? Насколько распространено применение полимерных материалов? Об этом рассказывает профессор, PhD in Crystallography Артем Оганов.

Объяснение USPEXа

В одной из своих научно-популярный статей Артем Оганов (рис. 3) описывает USPEX так:

«Вот образный пример для демонстрации общей идеи. Представьте, что нужно найти самую высокую гору на поверхности неизвестной планеты, на которой царит полная темнота. В целях экономии ресурсов важно понять, что нам нужна не полная карта рельефа, а лишь его самая высокая точка.

Артем Оганов

Рисунок 3. Артем Ромаевич Оганов

Вы высаживаете на планету небольшой десант биороботов, отправляя их поодиночке в произвольные места. Инструкция, которую каждый робот должен выполнять, — идти по поверхности против сил гравитационного притяжения и в итоге достигнуть вершины ближайшего холма, координаты которого он и должен сообщить на орбитальную базу. На большой исследовательский контингент у нас нет средств, а вероятность, что один из роботов сразу же взберется на высочайшую гору, крайне мала. Значит, надо применить известный принцип русской воинской науки: „воюй не числом, а умением“, реализуемый здесь в виде эволюционного подхода. Пеленгуя ближайшего соседа, роботы встречаются и воспроизводят себе подобных, расставляя их вдоль линии между „своими“ вершинами. Потомство биороботов приступает к выполнению тех же инструкций: они двигаются в направлении возвышения рельефа, исследуя область между двумя вершинами их „родителей“. Тех „особей“, которым попались вершины ниже среднего уровня, отзывают (так осуществляется селекция) и десантируют заново случайным образом (так моделируется поддержание „генетического разнообразия“ популяции)» [10].

Как оценить погрешность, с которой работает USPEX? Можно взять задачу с заранее известным правильным ответом и 100 раз независимо решить ее с помощью алгоритма. Если правильный ответ будет получен в 99 случаях, то вероятность ошибки расчетов составит 1%. Обычно правильные предсказания получаются с вероятностью 98–99%, когда число атомов в элементарной ячейке составляет 40 штук.

Эволюционный алгоритм USPEX привел ко многим интересным открытиям и даже к разработке новой лекарственной формы медицинского препарата, о чём будет рассказано ниже. Интересно, что же будет, когда появятся суперкомпьютеры нового поколения? Изменится ли в корне алгоритм предсказания кристаллических структур? Например, некоторые ученые занимаются разработками квантовых компьютеров. В перспективе они будут намного эффективней, чем самые совершенные современные. По мнению Артема Оганова, эволюционные алгоритмы оставят за собой лидирующую позицию, однако начнут работать быстрее.

Направления работы лаборатории: от термоэлектриков до лекарств

USPEX оказался алгоритмом не только эффективным, но и многофункциональным. На данный момент под руководством Артема Оганова ведется множество научных работ по различным направлениям. Одни из последних проектов — попытки моделирования новых термоэлектрических материалов и предсказание структуры белков.

«У нас есть несколько проектов, один из них — это изучение низкоразмерных материалов, таких как наночастицы, поверхности материалов, — рассказывает А.Р. Оганов. — Другой — изучение химических веществ под высоким давлением. Есть еще интересный проект, связанный с предсказанием новых термоэлектрических материалов. Сейчас мы уже знаем, что адаптация метода по предсказанию кристаллических структур, который мы придумали, к задачам термоэлектрики работает эффективно. На данный момент мы уже готовы к большому рывку, результатом которого должно стать открытие новых термоэлектрических материалов. Уже понятно, что метод, который мы создали для термоэлектриков, очень мощный, проведенные тесты успешны. И мы полностью готовы к тому, чтобы искать собственно новые материалы. Также мы занимаемся предсказанием и изучением новых высокотемпературных сверхпроводников. Задаемся вопросом о предсказании структуры белков. Это для нас новая задача и очень любопытная».

Интересно, что USPEX уже принес пользу даже медицине: «Более того, мы разрабатываем новые медицинские препараты. В частности, нами было предсказано, получено и запатентовано новое лекарство, — рассказывает А.Р. Оганов. — Это гидрат 4-аминопиридина, лекарство от рассеянного склероза».

Речь идет о недавно запатентованном сотрудниками лаборатории компьютерного дизайна материалов Валерием Ройзеном (рис. 4), Анастасией Наумовой и Артемом Огановым препарате, позволяющем симптоматически лечить рассеянный склероз. Патент открытый, что поможет снизить цену на лекарство [11]. Рассеянный склероз — это хроническое аутоиммунное заболевание, то есть одна из тех патологий, когда собственная иммунная система вредит хозяину*. При этом повреждается миелиновая оболочка нервных волокон, которая в норме выполняет электроизолирующую функцию. Она очень важна для нормальной работы нейронов: ток по выростам нервных клеток, покрытых миелином, проводится в 5–10 раз быстрее, чем по непокрытым. Потому рассеянный склероз приводит к нарушениям в работе нервной системы.

* — Первопричины возникновения рассеянного склероза остаются до конца не выясненными. Понять их пытаются во многих лабораториях мира. В России этим занимается лаборатория биокатализа в Институте биоорганической химии [12].

Валерий Ройзен

Рисунок 4. Валерий Ройзен — один из авторов патента на лекарство от рассеянного склероза, сотрудник лаборатории компьютерного дизайна материалов, разрабатывающий новые лекарственные формы медицинских препаратов и активно занимающийся популяризацией науки.

Видео 3. Научно-популярная лекция Валерия Ройзена «Вкусные кристаллы». Вы узнаете о принципах работы лекарств, о важности формы доставки медикамента в организм человека и о злом брате-близнеце аспирина.

Формула 4-аминопиридина

Рисунок 5. Общая структурная формула 4-аминопиридина. Рисунок из [11].

Ранее 4-аминопиридин в клинике уже использовали, но ученым удалось, изменив химический состав, улучшить всасываемость этого лекарства в кровь. Они получили кристаллический гидрат 4-аминопиридина (рис. 5) со стехиометрией 1:5 [11]. В такой форме были запатентованы само лекарство и способ его получения. Вещество улучшает выброс нейромедиаторов в нервно-мышечных синапсах, что облегчает самочувствие пациентов с рассеянным склерозом. Стоит отметить, что такой механизм подразумевает лечение симптомов, но не самого заболевания. Помимо биодоступности принципиальным моментом в новой разработке является следующее: так как удалось «заключить» 4-аминопиридин в кристалл, он стал более удобным для использования в медицине. Кристаллические вещества относительно легко получить в очищенном и однородном виде, а свобода препарата от потенциально вредных примесей — один из ключевых критериев хорошего лекарства.

Открытие новых химических структур

Как было сказано выше, USPEX позволяет находить новые химические структуры. Оказывается, даже у «привычного» углерода есть свои загадки. Углерод — очень интересный химический элемент, потому что формирует обширный набор структур, начиная от сверхтвердых диэлектриков, заканчивая мягкими полупроводниками и даже суперпроводниками. К первым можно отнести алмаз и лонсдейлит, ко вторым — графит, к третьим — некоторые фуллерены при низких температурах. Несмотря на широкое разнообразие известных форм углерода, ученым под руководством Артема Оганова удалось открыть принципиально новую структуру: ранее не было известно, что углерод может формировать комплексы по типу «гость-хозяин» (рис. 6). В работе принимали участие в том числе и сотрудники лаборатории компьютерного дизайна материалов (рис. 7).

Метастабильная форма углерода

Рисунок 6. Метастабильная форма углерода, формирующая комплекс по типу «гость-хозяин». Показана в двух проекциях — а и б. Рисунок из [14].

Олег Фея

Рисунок 7. Олег Фея, аспирант МФТИ, сотрудник лаборатории компьютерного дизайна материалов и один из авторов открытия новой структуры углерода. В свободное время Олег занимается популяризацией науки: его статьи можно прочитать в изданиях «Кот Шрёдингера», «За науку», STRF.ru, «Страна Росатом». Кроме того, Олег — победитель московского Science Slam и участник телешоу «Самый умный».

14-я группа элементов таблицы Менделеева

Рисунок 8. 14-я группа элементов таблицы Менделеева. Рисунок из [14].

Взаимодействие «гость-хозяин» проявляется, например, в комплексах, состоящих из молекул, которые соединены друг с другом нековалентными связями. То есть некий атом/молекула занимает определенное место в кристаллической решетке, но при этом не образует ковалентной связи с окружающими соединениями. Такое поведение широко распространено среди биологических молекул, которые связываются друг с другом, образуя прочные и большие комплексы, выполняющие различные функции в нашем организме [13]. В целом, имеются ввиду соединения, состоящие из двух типов структурных элементов. Для веществ, образуемых только  углеродом, такие формы не были известны. Свое открытие ученые опубликовали в 2014 году, расширив наши знания о свойствах и поведении 14-й группы химических элементов в целом (рис. 8) [14].Стоит отметить, что в открытой форме углерода ковалентные связи между атомами образуются. Речь о типе гость-хозяин идет из-за наличия четко выраженных двух типов атомов углерода, имеющих совсем разное структурное окружение.

Новая химия под высоким давлением

В лаборатории компьютерного дизайна материалов изучают, какие вещества окажутся стабильными при высоких давлениях. Вот как заведующий лабораторией аргументирует интерес к таким исследованиям: «Мы изучаем материалы под высоким давлением, в частности новую химию, которая появляется при таких условиях. Это очень необычная химия, которая не вписывается в правила традиционной. Полученные знания о новых соединениях приведут к пониманию того, что происходит внутри планет. Потому что эти необычные химические вещества могут проявить себя как очень важные материалы планетных недр». Сложно предсказать, как ведут себя вещества под высоким давлением: большинство химических правил перестает работать, потому что данные условия очень сильно отличаются от привычных нам. Тем не менее понимать это нужно, если мы хотим знать, как устроена Вселенная. Львиная доля барионного вещества Вселенной находится именно под высоким давлением внутри планет, звезд, спутников. Удивительно, но про его химию известно еще очень немного.

Новую химию, которая реализуется при высоком давлении в лаборатории компьютерного дизайна материалов МФТИ изучает PhD (степень, аналогичная кандидату наук) Габриеле Салех (Gabriele Saleh):

Угольная кислота

Рисунок 9. Угольная кислота (H2CO3) — стабильная под давлением структура. Во вставке сверху показано, что вдоль оси С формируются полимерные структуры. Изучение системы «углерод-кислород-водород» под высокими давлениями очень важно для понимания того, как устроены планеты. H2O (вода) и CH4 (метан) являются главными составляющими некоторых гигантских планет — например Нептуна и Урана, где давление может доходить до сотен ГПа. Большие ледяные спутники (Ганимед, Каллисто, Титан) и кометы тоже содержат воду, метан и углекислый газ, на которые действует давление до нескольких ГПа. Рисунок из [16].

«Я химик, и меня интересует химия при высоких давлениях. Почему? Потому что у нас есть правила химии, которые были сформулированы 100 лет назад, но недавно оказалось, что они перестают работать при высоких давлениях. И это очень интересно! Похоже на луна-парк: есть феномен, который никто не может объяснить; исследовать новый феномен и пытаться понять, почему он происходит, — это очень интересно. Мы начали разговор с фундаментальных вещей. Но высокие давления существуют и в реальном мире. Конечно, не в этой комнате, а внутри Земли и на других планетах»*.

* — Since I’m a chemist I’m interested in high-pressure chemistry. Why? Because we have chemical rules which were established one hundred years ago but recently it was discovered that these rules get broken at high pressure. And it is very interesting! This is like a loonopark because you have a phenomenon, which nobody can rationalize. It’s interesting to study new phenomenon and to try to understand why does it happen. We started from the fundamental point of view. But these high pressures exist. Not in this room of course but in the inside of the Earth and in other planets.

Габриеле рассказал нам про свою новую работу, которая недавно была принята к публикации:

«Иногда вы занимаетесь фундаментальной наукой, но затем обнаруживаете прямое применение полученному знанию. Например, мы недавно отослали для публикации статью, в которой описываем результаты поиска всех стабильных соединений, получающихся из углерода, водорода и кислорода при высоком давлении. Мы нашли одно, стабильное при очень низких давлениях, таких как 1 ГПа*, и им оказалась угольная кислота H2CO3 (рис. 9). Я изучил литературу по астрофизике и обнаружил, что спутники Ганимед и Каллисто [спутники Юпитера] состоят из воды и углекислого газа: из молекул, формирующих угольную кислоту. Таким образом мы поняли, что наше открытие позволяет предположить образование там угольной кислоты. Это то, о чём я говорил: всё началось с фундаментальной науки и закончилось чем-то важным для изучения спутников и планет»**.

* — Отметим, что такие давления оказываются низкими относительно тех, что в принципе можно найти во Вселенной, но высокими по сравнению с теми, что действуют на нас у поверхности Земли.

** — So sometimes you study something for fundamental science but then you discover it has a right application. For example we have just submitted a paper in which we took carbon, hydrogen, oxygen at high pressure and we tried to look for the all stable compounds. We found one which was carbonic acid and it was stable in a very low pressure like one gigapascal. I investigated the astrophysics literature and discovered: there are satellites such as Ganymede or Calisto. On them there is carbon dioxide and water. The molecules which form this carbonic acid. So we realized that this discovery means that probably there would be carbonic acid. This is what I mean by started for fundamental and discovering something which is applicable to planetary science.

Другой пример необычной химии, который можно привести, касается общеизвестной поваренной соли, NaCl. Оказывается, если вы сможете создать в вашей солонке давление 350 ГПа, то получите новые соединения. В 2013 году под руководством А.Р. Оганова было показано, что если приложить высокое давление к NaCl, то стабильными станут необычные соединения — например NaCl7 (рис. 10) и Na3Cl [15]. Интересно, что многие из открытых веществ являются металлами. Габриеле Салех и Артем Оганов продолжили пионерскую работу, в которой показали экзотическое поведение хлоридов натрия под высоким давлением и разработали теоретическую модель, которую можно использовать для предсказания свойств соединений щелочных металлов с галогенами [16].

Они описали правила, которым подчиняются эти вещества в таких необычных условиях. С использованием алгоритма USPEX несколько соединений с формулой А3Y (A = Li, Na, K; Y = F, Cl, Br) теоретически подвергли давлениям до 350 ГПа. Это привело к открытию хлорид-ионов в окисленном состоянии −2. «Стандартная» химия это запрещает. В таких условиях могут образовываться новые вещества, например с химической формулой Na4Cl3.

NaCl и NaCl7

Рисунок 10. Кристаллическая структура обычной соли NaCl (слева) и необычного соединения NaCl7 (справа), стабильного под давлением. Рисунок с сайта www.ibch.ru, адаптирован.

Химии нужны новые правила

Габриеле Салех (рис. 11) рассказал о своем исследовании, направленном на описание новых правил химии, которые обладали бы предсказательной силой не только в стандартных условиях, но описывали бы поведение и свойства веществ под высоким давлением (рис. 12).

Габриеле Салех

Рисунок 11. Габриеле Салех (Gabriele Saleh)

«Два или три года назад профессор Оганов открыл, что такая простая соль, как NaCl, под высоким давлением не так уж и проста: натрий и хлор могут образовывать и другие соединения. Но никто не знал почему. Ученые выполнили расчеты, получили результаты, но оставалось неизвестным, почему всё происходит так, а не иначе. Еще с аспирантуры я изучаю химическую связь, и в ходе исследования мне удалось сформулировать некоторые правила, логически объясняющие происходящее. Я изучил, как электроны ведут себя в составе таких соединений, и пришел к общим закономерностям, характерным для них под высоким давлением. Для того чтобы проверить, являются ли эти правила плодом моего воображения или всё же объективно верны, я предсказал структуры похожих соединений — LiBr или NaBr и еще нескольких похожих. И действительно — соблюдаются общие правила. Если кратко, то я видел, что есть следующая тенденция: когда вы прикладываете давление к таким соединениям, то они образуют структуру двумерного металла, а потом — одномерного. Затем, под очень высоким давлением, начинают происходить более дикие вещи, потому что у хлора в таком случае будет степень окисления −2. Все химики знают, что у хлора степень окисления −1, это типичный пример из учебника: натрий теряет электрон, а хлор его забирает. Поэтому окислительные числа получаются +1 и −1 соответственно. Но под высоким давлением всё работает не так. Мы это показали с помощью некоторых подходов для анализа химических связей. Также в ходе работы я искал специальную литературу, чтобы понять, наблюдал ли уже кто-либо такие закономерности. И оказалось, что да, наблюдали. Если я не ошибаюсь, висмутат натрия и некоторые другие соединения подчиняются описанным правилам. Конечно, это только начало. Когда опубликуют следующие работы по теме, мы узнаем, обладает ли наша модель реальной предсказательной силой. Потому что это именно то, что мы ищем. Мы хотим описать химические законы, которые соблюдались бы и при высоких давлениях»* [17].

* — Two or three years ago professor Oganov discovered that the simple salt NaCl at high pressure is not very simple and other compounds will form. But nobody know why. They made a calculation they got the results but you cannot say why this is happening. So since during my PhD I specializing in the study of chemical bonding, I investigated this compounds and I find some rule to rationalize what is going on. I investigated how electrons behave in this compounds and I came up with some rules which this kinds of compounds will follow at high pressure. To check whether my rules were just my imagination or they were true I predicted new structures of similar compounds. For example LiBr or NaBr and some combinations like this. And yes, these rules turn out to be followed. In short, just not to be very specialistic, I’ve seen that there is a tendency: when you compress them they would form two-dimensional metals, then one-dimensional structure of metal. And then at very high pressure some more wild would happen because the Cl in this case will have the oxidation number of −2. All the chemist know that the lowest oxidation number of Cl is −1, which is typical textbook example: sodium loses electron and chlorine gets it. So we have +1 and −1 oxidation numbers. But at a very high pressure it is not true anymore. We demonstrated this with some approaches for chemical bonding analysis. In that work also I tried to look at the literature to see if somebody have seen this kind of rules before. And yes, it turned out that there were some. If I’m not mistaken, Na-Bi and other compounds turned out to follow these rules. It is just a starting point, of course. The other papers will come up and we will see whether this model has a real predictive power. Because this is what we are looking for. We want to sketch the chemistry which will work also for high pressure.

Na4Cl3

Рисунок 12. Cтруктура вещества с химической формулой Na4Cl3, которое формируется при давлении 125-170 ГПа, что наглядно демонстрирует появление «странной» химии под давлением. Рисунок из [17].

Если экспериментировать, то избирательно

Несмотря на то, что алгоритм USPEX отличается большой предсказательной силой в рамках своих задач, теория всегда требует экспериментальной проверки. Лаборатория компьютерного дизайна материалов — теоретическая, как следует даже из ее названия. Поэтому эксперименты проводятся в сотрудничестве с другими научными коллективами. Стратегию исследования, принятую в лаборатории, Габриеле Салех комментирует так:

«Мы не проводим экспериментов — мы теоретики. Но часто сотрудничаем с людьми, которые это делают. На самом деле, я думаю, что это вообще трудно. Сегодня наука узкоспециализированная, поэтому не просто найти кого-то, кто занимается и тем и другим»*.

* — We don’t do experiments, but often we collaborate with some people who do experiments. Actually I think in fact it’s hard. Nowadays the science is very specialized so it’s hard to find somebody who does both.

Один из ярчайших примеров — предсказание прозрачного натрия. В 2009 году в журнале Nature были опубликованы результаты работы, выполненной под руководством Артема Оганова [18]. В статье ученые описали новую форму Na, в которой он является прозрачным неметаллом, становясь под давлением диэлектриком. Почему так происходит? Это связано с поведением валентных электронов: под давлением они вытесняются в пустоты кристаллической решетки, образованной атомами натрия (рис. 13). При этом исчезают металлические свойства вещества и появляются качества диэлектрика. Давление в 2 млн атмосфер делает натрий красным, а в 3 млн — бесцветным.

Натрий под давлением

Рисунок 13. Натрий под давлением более 3 млн атмосфер. Синим цветом показана кристаллическая структура из атомов натрия, оранжевым — сгустки валентных электронов в пустотах структуры. Рисунок с сайта www.ibch.ru.

Мало кто верил в то, что классический металл может демонстрировать такое поведение. Однако в коллаборации с физиком Михаилом Еремцом из Института Макса Планка в Майнце были получены экспериментальные данные, полностью подтвердившие предсказание (рис. 14).

Фотографии образца Na

Рисунок 14. Фотографии образца Na, полученные при сочетании проходящего и отраженного освещения. К образцу были приложены разные давления: 199 ГПа (прозрачная фаза), 156 ГПа, 124 ГПа и 120 ГПа. Рисунок из [18].

Работать надо с огоньком!

Артем Оганов рассказал нам, какие требования он предъявляет к своим сотрудникам:

«Во-первых, они должны иметь хорошее образование. Во-вторых, быть работящими. Если человек ленивый, то я его не возьму на работу, а если вдруг по ошибке возьму, то он будет выгнан. Нескольких сотрудников, которые оказались ленивыми, инертными, аморфными, я просто уволил. И считаю, что это абсолютно правильно и хорошо даже для самого человека. Потому что если человек не на своем месте, он не будет счастлив. Ему нужно уйти туда, где он будет работать с огоньком, с задором, с удовольствием. И это и для лаборатории хорошо, и для человека хорошо. А те ребята, которые реально работают красиво, с огоньком, тем мы платим хорошую зарплату, они ездят на конференции, они пишут статьи, которые потом выходят в лучших мировых журналах, у них всё будет хорошо. Потому что они на своем месте и потому что у лаборатории есть хорошие ресурсы для того, чтобы их поддерживать. То есть ребятам не нужно думать о приработке, чтобы выжить. Они могут сконцентрироваться на науке, на своем любимом деле, и успешно им заниматься. У нас сейчас появились кое-какие новые гранты, и это открывает нам возможность нанять еще несколько человек. Конкурс есть постоянно. Круглый год люди подают заявки, беру, разумеется, далеко не всех».

А еще в лаборатории предусмотрены поощрительные премии за хорошую работу — опубликованные статьи и написанные новые программы!

Литература

  1. Oganov A.R. and Glass C.W. (2006). Crystal structure prediction using ab initio evolutionary techniques: principles and applications. J. Chem. Phys. 124, 244704;
  2. Охапкин И. (2016). А большой ли у вас Хирш? Наука и технологии России;
  3. Maddox J. (1988). Crystals from first principles. Nature335, 201;
  4. Gavezzotti A. 1994. Are crystal structures predictable? Acc. Chem. Res. 27, 309–314;
  5. Universal structure predictor: evolutionary xtallography. (2016). Oganov’s Lab;
  6. Niu H., Chen X.Q., Ren W., Zhu Q., Oganov A.R., Li D., Li Y. (2014). Variable-composition structural optimization and experimental verification of MnB3 and MnB4. Phys. Chem. Chem. Phys. 16, 15866–15873;
  7. Crystal structure prediction using the USPEX code. (2016). The International Union of Crystallography;
  8. биомолекула: «Торжество компьютерных методов: предсказание строения белков»;
  9. биомолекула: «Миллисекундный барьер взят!»;
  10. Оганов А. (2016). USPEX: когда форма определяется содержанием. Nsu.ru;
  11. Наумова А.С., Оганов А.Р., Ройзен В.В. (2016). Кристаллогидрат 4-аминопиридина, способ его получения, фармацевтическая композиция и способ лечения и/или профилактики на её основе. Патент RU 2580837;
  12. биомолекула: «Лаборатория биокатализа ИБХ: дизайнерские ферменты и клоны-мятежники»;
  13. биомолекула: «Раздвинувший границы химии»;
  14. Zhu Q., Feya O.D., Boulfelfel S.E., Oganov A.R. (2014). Metastable host-guest structure of carbon. J. Superhard Mat. 36, 246–256;
  15. Zhang W., Oganov A.R., Goncharov A.F., Zhu Q., Boulfelfel S.E., Lyakhov A.O. et al. (2013). Unexpected stable stoichiometries of sodium chlorides. Science. 342, 1502–1505;
  16. Saleh G. and Oganov A.R. (2016). Pressure-induced stabilization of carbonic acid and other compounds in the C-H-O system. Cornell University Library;
  17. Saleh G. and Oganov A.R. (2016). Alkali subhalides: high-pressure stability and interplay between metallic and ionic bonds. Phys. Chem. Chem. Phys. 18, 2840–2849;
  18. Ma Y., Eremets M., Oganov A.R., Xie Y., Trojan I., Medvedev S. et al. (2009). Transparent dense sodium. Nature. 458, 182–185;
  19. Lyakhov A.O., Oganov A.R., Stokes H.T., Zhu Q. (2013). New developments in evolutionary structure prediction algorithm USPEX. Comput. Phys. Commun. 184, 1172–1182.

Автор: Валиева Мария.

Число просмотров: 686.

Creative Commons License — условия использования и распространения материалов сайта.
Вернуться в раздел «Места»

Комментарии

(Оставить комментарий) (показывать сначала старые комментарии)

Яндекс.Метрика

© 2007–2015 «биомолекула.ру»
Электропочта: info@biomolecula.ru
О проекте · RSS · Сослаться на нас

Дизайн и программирование —
Batch2k15.

Сопровождение сайта — НТК «Биотекст».

Условия использования сайта
Об ошибках сообщайте вебмастеру.