Почти все вещества, которые окружают нас — это кристаллы. От лекарств до экрана монитора, от грифеля карандаша до бриллианта в сережке, от камней в почках до металлического подстаканника. И свойства этих веществ: будет ли лекарство лечить или убивать, будет ли карандаш писать, а алмаз резать,  зависят только от того, в какие пространственные узоры составлены атомы в кристалле. Например, один и тот же атом — углерод — может, в зависимости от того, как он «упакован» в пространстве, давать мягкий графит, либо твердый алмаз.

«В случае дизайна материалов, которые еще не синтезированы, очень важно предсказать: существует ли такое расположение их атомов, которое дало бы интересные для применения свойства», — говорит Артем Оганов.

Кристалл — это бесконечно повторяющаяся в пространстве комбинация атомов; такой повторяющийся мотив называется элементарной ячейкой кристалла. Например, никто не держал в руках гидрид лития с составом LiH8 (химикам известен только LiH, но мы предсказали устойчивость LiH2, LiH6 и LiH8), и поэтому крайне важно узнать, как в принципе смогут выстроиться атомы Li и Н в элементарной ячейке такого кристалла. Какие будут расстояния между соседними атомами, как они будут располагаться друг относительно друга; наконец, сколько их будет в каждой ячейке. Получим ответ на этот вопрос, и может оказаться, что такой материал — это уникальное топливо или сверхпроводник; будет иметь смысл пытаться его синтезировать.

«Еще недавно задачу такого расчета считали принципиально нерешаемой — просто потому, что число решений бесконечно», — говорит Оганов. Годятся только те решения, которые предсказывают реально возможную, устойчивую структуру кристалла; для того чтобы их найти, надо перебрать этот бесконечный набор решений — в поисках тех вариантов, при которых кристаллы будут стабильны.

В 2004-2006 годах профессор Оганов придумал компьютерный метод вычисления, который он назвал USPEX. «В английском языке русские слова — это слова в основном с неприятным оттенком: водка, аппаратчик, большевик, перестройка, гласность, царь. Почему бы не ввести радужное слово?» — подумал Артем, и как в воду глядел: метод быстро стал приносить выдающиеся результаты. Суть метода в том, что решения бесконечно сложной задачи ведут себя как живые организмы. Они образуют в процессоре что-то вроде поселений, колоний, скрещиваются, рождают потомков — новые решения. Выживают только «сильнейшие» — то есть те виртуальные кристаллы, которые наиболее устойчивы.

В рамках работы над книгой, которая выходит этой осенью в престижном издательстве Wiley, Оганов написал письмо коллективам, которые используют различные иные методы расчета кристаллов. «Большинство отказались, сославшись на различные причины, как правило, занятость», — сетует Оганов. Но три группы собрать удалось. Артем разослал им в качестве задания названия четырех несуществующих веществ и через три месяца предложил сличить результаты. «В трех случаях мы победили с большим отрывом, в одном слегка уступили; но в этом (и во всех других) примере наши соперники использовали намного больше (порой в десятки раз больше) ресурсов  машинного времени», — говорит Артем.

Применяя USPEX, Оганов как-то предсказал одно поистине алхимическое превращение. По его предсказанию, под высоким давлением один из самых «металлических» металлов, натрий, должен был стать прозрачным, красным как рубин и начать вести себя как неметалл. «Редакция журнала Nature вернула нашу статью, с резолюцией: мы не можем публиковать любые сумасшедшие догадки. Тогда мы нашли лабораторию, которая создала соответствующее давление и полностью подтвердила наше предсказание; статья была опубликована» (как и материал в блоге «Наука», см тут)

Всех давно интересует вопрос: является ли алмаз самым твердым веществом на свете? Можно ли расположить иначе атомы углерода — и получить более твердое вещество? Расчеты на USPEX показали, что является, но нашлось много других модификаций углерода, почти таких же по прочности. Синтез алмаза трудоемок, и вполне возможно, что эти модификации будет легче синтезировать. Так, одна из предсказанных нами форм углерода образуется при сжатии графита при комнатной температуре (синтез же алмаза требует высоких температур). Эта фаза уже подтверждена экспериментом.

Еще один «священный Грааль» в этой гонке: найти кристаллы, которые будут сверхпроводниками при не очень низких температурах  — таких, которые можно обеспечить в бытовых условиях, не ниже температуры жидкого азота, а лучше при комнатной температуре.

«Чтобы ощутить, почему это важно, можно поехать в Китай или Японию. Там ездят самые быстрые поезда. Рельс — это магнит, в поезде спрятан сверхпроводник. Итак, кусок сверхпроводника повесили над магнитом — и поезд парит в воздухе. Трение мало, расход энергии мал, износ мал, скорость — 450 кмч. Это технология фирмы “Сименс”, но такая дорогая, что в Германии не воплотили», — говорит Оганов.

Он рассчитал для гидрида германия очень высокую температуру сверхпроводимости, а его коллеги с помощью метода Оганова уже нашли сверхпроводники с почти рекордной температурой — под 140 градусов. И это не предел.

Еще один пример. С 60-х годов у человечества существует мечта создать металлический водород. Это был бы великолепный сверхпроводник, топливо, взрывчатка — если можно было бы синтезировать при не слишком высоких давлениях (ведь в нормальных условиях водород это же газ). «Гонка за металлическим водородом — это детективная история. Сначала пробовали при 250 000 атмосфер — ничего не получилось. Потом предсказание велело двигаться дальше — снова ничего не вышло. Сейчас есть довольно точный расчет: нужно 4 миллиона атмосфер! Потом можно будет и убрать давление — и есть вероятность, что кристалл остается самим собой. Но такой водород почти нереально сделать — 4 млн атмосфер!» — говорит Оганов.

Он и его коллеги рассчитали, что гидриды лития (LiH6, LiH8) будут давать кристаллы очень похожие по свойствам на металлический водород — «всего» при 1 миллионе атмосфер. «И может быть, можно еще дальше понизить это давление. До нашего расчета такая возможность ставилась под сомнение», — говорит Оганов.

Сегодня метод Артема Оганова позволяет рассчитывать свойства кристаллов, у которых в элементарной ячейке до 100-150 атомов. «Если мы сможем усовершенствовать метод до такой степени, чтобы в ячейке были десятки тысяч атомов — мы вторгнемся в одну из самых важных областей биологии: расчет пространственной структуры белков, молекул, на которых строятся все жизненные процессы», — говорит участник проекта «Сноб» Артем Оганов, который готов ответить на вопросы о кристаллах и их тайнах.

Текст подготовил Илья Колмановский