Как современная наука предсказывает существование веществ, которые противоречат школьным учебникам? Физик Алексей Семихатов, астроном Владимир Сурдин и химик Артём Оганов обсуждают алгоритмы дизайна материалов, «запрещённые» соединения в недрах планет и технологическую революцию, вызванную искусственным интеллектом.
🧬 Эволюция молекул: Как работает алгоритм USPEX 14:45
В современной химии переход от случайных находок к целенаправленному проектированию материалов стал возможен благодаря теоретическим предсказаниям. Артём Оганов разработал метод USPEX (Universal Structure Predictor: Evolutionary Xtallography), который позволяет рассчитывать стабильные кристаллические структуры, исходя только из названий химических элементов .
До середины 2000-х годов задача предсказания структуры считалась принципиально неразрешимой. Психологически учёным мешала «сгипнотизированность биологией»: первые попытки использовать генетические алгоритмы в химии слепо копировали бинарное кодирование ДНК, что не работало для кристаллов .
Принципы работы метода Оганова:
- Случайная популяция: Программа начинает с генерации абсолютно случайных структур и составов, часто не имеющих химического смысла .
- Эволюционный механизм: Структуры с самой низкой энергией (наиболее стабильные) получают шанс стать «родителями».
- Скрещивание и мутации: Алгоритм «скрещивает» куски разных структур, меняет атомы местами или трансмутирует их, создавая новые поколения .
- Локальная минимизация: Ключевым шагом, по словам Оганова, стала «релаксация» — программа двигает атомы до тех пор, пока силы между ними не уравновесятся, что в миллиарды раз сокращает сложность поиска .
🚫 «Запрещённая» химия и превращения натрия 43:00
Традиционные представления о валентности («ручках», которыми атомы держатся друг за друга) — это лишь упрощённая модель, работающая при низких давлениях . Артём Оганов утверждает, что при экстремальном сжатии в любой химической системе без исключения начинается «дурдом» — возникают соединения, запрещённые классической химией .
Примеры аномальных веществ:
- Натрий-хлор-3 и Натрий-хлор-7: При высоких давлениях обычная поваренная соль превращается в экзотические соединения, где на один атом хлора приходится несколько атомов натрия, и наоборот .
- Прозрачный натрий: Под давлением серебристый металл натрий сначала чернеет, затем становится красным, а при сверхвысоком сжатии превращается в прозрачный диэлектрик, похожий на стекло .
- Натрийд гелия: Гелий, считающийся абсолютно инертным, под давлением вступает в реакцию с натрием, образуя стабильные кристаллы .
По мнению Оганова, эти открытия доказывают, что химическая интуиция человека ограничена опытом жизни при «нулевом» (атмосферном) давлении .
💎 Алмазные дожди и тайны недр планет 33:51
Астрономия предоставляет естественные лаборатории для экстремальной химии. В недрах планет-гигантов Нептуна и Урана давление достаточно велико, чтобы разрушать молекулы метана.
Загадка тепла Нептуна: Нептун излучает в 2,5 раза больше энергии, чем получает от Солнца, в то время как его «близнец» Уран находится в тепловом равновесии . Артём Оганов поддерживает гипотезу «алмазных дождей»: метан ($CH_4$) в недрах распадается на водород и алмаз. Тяжёлые алмазы тонут, и выделяемая при этом гравитационная энергия разогревает планету .
Происхождение земной воды: Учёные обсуждают, откуда на Земле взялись океаны. Владимир Сурдин отмечает, что по одной из гипотез воду принесли ледяные кометы . Однако Артём Оганов считает эту версию маловероятной из-за различий в изотопном составе и выдвигает альтернативу: вода выделилась из недр . Его группа предсказала существование гидросиликата магния ($Mg_2SiO_5H_2$), который был стабилен в глубоких недрах ранней Земли и мог удерживать воду, постепенно «отдавая» её по мере изменения условий .
🤖 Искусственный интеллект: Конец или начало химии? 25:45
В 2025–2026 годах химия переживает революцию благодаря машинному обучению . Новые модели, обученные на миллионах квантовых расчётов, позволяют предсказывать свойства материалов в 200 раз быстрее традиционных методов .
Оганов выделяет аналитическую модель, созданную китайским подразделением Microsoft (которое позже было расформировано), как наиболее точную . Эти алгоритмы «знают про химию всё»: они понимают углы связей, электронные эффекты и предпочтения элементов без прямого решения уравнения Шрёдингера . Теперь задачи, требовавшие мощностей суперкомпьютера, можно решать на обычном ноутбуке за неделю .
🌡️ Рекорды сверхпроводимости 50:24
Предсказание новых материалов привело к прорыву в области высокотемпературной сверхпроводимости.
- Гидрид лантана ($LaH_{10}$): Это вещество, предсказанное теоретически, демонстрирует сверхпроводимость при температуре -20°C под давлением 1,7 млн атмосфер .
- Неофициальный рекорд: Ученик Оганова, академик Янминг Ма, экспериментально зафиксировал сверхпроводимость при 300 К (+27°C) в гидриде лантана и скандия .
Хотя такие материалы требуют колоссального давления, Оганов уверен, что комнатная сверхпроводимость — это уже реальность, а не фантазия .
🧪 Случайные открытия и их роль в истории 1:05:53
Спикеры обсудили, как случайность и ошибки двигали химию до появления алгоритмов предсказания:
- Бездымный порох (нитроцеллюлоза): Шонбайн случайно пролил азотную кислоту и вытер её фартуком жены, который мгновенно «растаял» (сгорел) от искры печи .
- Берлинская лазурь: Красильщик Дисбах пытался создать один пигмент, но из-за примесей железа в «грязном» поташе получил глубокий синий цвет, ставший основой палитры Ван Гога и японских гравюр .
- Открытие йода котиком: Бернар Куртуа открыл йод, когда его кот прыгнул на стол и смахнул концентрированную серную кислоту в чан с золой водорослей, что вызвало облако фиолетового дыма .
- Полиакрилат натрия: Материал, способный поглощать воду в сотни раз больше своего объёма . Оганов рассказал личную историю о том, как случайно съел этот абсорбент (хладогент), перепутав его с китайским лекарством .
🧲 Химия экстремальных условий 1:20:09
Современная наука обнаружила, что «запрещённые» соединения могут возникать не только под прессом:
- Двумерность: Китайские учёные вырастили натрий-два-хлор ($Na_2Cl$) без давления на поверхности графена. Низкая размерность меняет химические свойства так же радикально, как и давление .
- Канцерогенность пыли: Рак лёгких от вдыхания кварцевой пыли (силикоз) объясняется тем, что на поверхности пылинок состав отличается от $SiO_2$ — там избыток кислорода-окислителя, разрушающего ДНК .
- Магнитные поля: В сверхсильных полях нейтронных звёзд даже гелий должен образовывать прочные химические связи, так как поле «распаривает» электронные пары и вытягивает атомы в нити .
В завершение встречи Артём Оганов продемонстрировал феноменальную память, воспроизведя таблицу Менделеева почти целиком — от водорода до 118-го элемента (оганесона), запнувшись лишь на сотом элементе (фермии) .
