Topology-based crystal strusture generator
"Ученые создали предсказатель кристаллических структур, позаимствовав его
принцип у природы. Результаты исследования опубликованы в журнале Computer
Physics Communications. Из-за быстрого темпа возникновения новых технологий
перед химиками стоит постоянная задача искать и создавать новые вещества и
материалы: более прочные, легкие, стабильные, сверхпроводящие. Список
инноваций в области материаловедения, необходимых в современном мире, можно
продолжать долго. Искать и находить новые вещества непросто. Экспериментально
делать это долго и дорого, так как нередко требуются особые условия, сильно
отличающиеся от комнатных.
Да и если не знать, где искать, на перебор всех возможных вариантов и поиск
хорошего соединения уйдут тысячи лет. На помощь ученым приходят компьютерные
технологии, позволяющие точно предсказывать структуры возможных соединений, а
потом уже получать их экспериментально.
В 2005 году исследовательская группа под руководством профессора Артема Оганова
разработала эволюционный алгоритм USPEX для предсказания кристаллических
структур веществ. И это, вероятно, самый успешный алгоритм в этой области на
сегодня, используемый несколькими тысячами исследователей по всему миру.
Если USPEX в качестве вводных данных получает информацию об атомах, которые
войдут в состав нового вещества, то он не перебирает все возможные варианты,
так как у компьютера на это также уйдет очень много времени. Вместо этого
алгоритм генерирует небольшое число случайных структур, стабильность которых
оценивается, основываясь на энергии взаимодействия между атомами. Далее химики
работают как селекционеры: «скрещивают» получившиеся структуры друг
с другом, потом их «потомков» друг с другом — и так далее, пока не
найдутся особо стабильные соединения.
В новом исследовании ученые из Сколтеха, МФТИ и Самарского технологического
университета под руководством профессора Сколтеха и МФТИ Артема Оганова
усовершенствовали первый шаг алгоритма USPEX — генерацию исходных структур.
Химики показали, что совсем случайная генерация не очень эффективна, и решили
поучиться у природы, создав генератор случайных структур с помощью подсказок,
заложенных в структуре уже известных веществ.
Для этого они обратились к базе данных кристаллических структур и
«скрестили» развиваемые Огановым подходы с топологическими методами
профессора Владислава Блатова из Самары. Известно, что почти все из 200 тысяч
известных неорганических соединений принадлежат к трем тысячам топологических
типов. Это знание дает возможность сразу генерировать диапазон соединений,
содержащий структуру, близкую к искомой. Согласно проведенным тестам
разработанный учеными генератор структур позволяет справляться с задачами по
предсказанию в три раза быстрее.
«Три тысячи топологических типов получаются из реальных структур путем
абстракции. Если попробовать обратную операцию, то по этим трем тысячам типов
можно сгенерировать практически все известные структуры и бесконечное число еще
не известных, но вполне разумных структур. И это дает великолепную стартовую
точку для эволюционного механизма. Получается, вы начинаете с такой точки,
которая, скорее всего, включает область с оптимальным решением, и можно
получить его сразу или получить что-то близко лежащее, а потом эволюционный
механизм приведет вас к цели», — рассказывает Павел Бушланов, первый
автор исследования и сотрудник лаборатории Оганова в Сколтехе."©
