«В этом мы пока лидеры» Как российские химики научились лучше всех в мире прогнозировать новые материалы

В апреле 2013 года бывший Самарский государственный университет (СамГУ) стал первым вузом региона, чьи ученые выиграли мегагрант правительства России. На эти средства была организована работа Межвузовского научно-исследовательского центра по теоретическому материаловедению (МНИЦТМ), научным руководителем которого стал профессор Миланского университета (Италия) Давиде Прозерпио. После присоединения СамГУ к Самарскому государственному аэрокосмическому университету (СГАУ) руководство последнего саботировало работу ученых, только недавно вуз начал выполнять свои обязательства. О научных успехах МНИЦТМ «Ленте.ру» рассказал его директор, доктор химических наук, профессор Владислав Блатов.

«Лента.ру»: Вы занимаетесь прогнозированием свойств материалов. В чем особенность вашего подхода?

Владислав Блатов: Моделирование материалов — новая наука, ей около 20 лет. Долго считалось, что прогнозировать свойства твердых веществ человек научится нескоро. Но в конце 90-х годов произошла революция в области математического моделирования — были созданы методы, основанные на квантовой механике, которые позволяют воспроизводить свойства материала с экспериментальной точностью. У этих методов есть недостаток — расчеты даже на современных суперкомпьютерах требуют много времени (расчет одного материала может занимать от нескольких дней до месяца). Однако это гораздо быстрее и дешевле, чем синтезировать материал в лаборатории и проверять его свойства с помощью дорогих приборов. Как узнать, какой именно материал нужно рассчитать на суперкомпьютере? Вот здесь и нужны методы, которые мы разрабатываем.

На чем они основаны?

Наши методы основаны на простых геометрических и топологических моделях (в наших моделях изучается система связей между атомами), поэтому наши программы считают гораздо быстрее, чем программы, основанные на квантовой механике. Вместе с тем наш расчет менее точен: чтобы узнать точную величину какого-либо параметра, требуется долгий расчет методами квантовой механики. Поэтому мы сначала перебираем множество вариантов состава и строения материала при помощи наших программ (количество вариантов может достигать сотен тысяч), находим самые перспективные и уже потом передаем полученные данные на суперкомпьютер.

Сам по себе метод выглядит просто: мы представляем весь кристалл в виде сетки атомов и связей между ними, а потом анализируем различные математические свойства этой сетки. Таких подходов к решению задач материаловедения, как у нас, пока нет нигде в мире. Например, только наша программа может полностью описать всю систему связей в кристалле — мы используем специальные математические структуры — фактор-графы. Они хранят всю информацию о бесконечном объекте, которым является идеальный кристалл, в конечной форме в виде матрицы смежности особого типа.

Это очень важно, так как компьютеры умеют работать лишь с конечными моделями. Чтобы найти взаимосвязи и закономерности, которые затем будут использоваться в наших методах, мы анализируем огромный объем накопленных наукой экспериментальных данных о твердых веществах — в настоящее время изучено более миллиона веществ. Конечно, без компьютеров и специальных программ такую работу не проделать.

Это новое направление в науке?

Мы приступили к работе над такими программами более 25 лет назад, в 1989 году — задолго до того, как эта тематика приобрела популярность. Я в то время был аспирантом, мой друг и второй автор разработанных нами программ, Александр Шевченко — студентом. Наш научный руководитель, профессор Виктор Сережкин, поставил тогда перед нами достаточно частную задачу, которая вряд ли будет интересна неспециалисту. Решение задачи потребовало разработки нестандартных методов. Как потом выяснилось, некоторые вещи открывали заново, повторяя работы зарубежных ученых. Но создавали и совсем новые подходы к анализу твердых тел.

Достаточно сказать, что в США важность работ в области компьютерного прогнозирования материалов поняли только в 2011 году, приняв специальную долгосрочную программу Materials Genome («Генезис материалов»). В России подобной программы нет до сих пор. Нам трудно соревноваться с американцами — у них в науку вкладывается гораздо больше средств и главное — наука организована на более высоком уровне. Но благодаря тому, что наша группа занялась геометрическим и топологическим материаловедением гораздо раньше, в этом мы пока лидеры.

Наука сейчас быстро приближается к эпохе, когда новые материалы будут создавать не «в пробирке», а на экране монитора, и потом воплощать в реальности, как это сейчас происходит в 3D-печати. Программа Materials Genome ставит своей целью сократить время разработки новых материалов с нынешних 10-20 лет до двух-трех лет именно за счет компьютерного моделирования.

Ваша работа уже помогает в создании новых материалов?

Я приведу два примера. Два года назад наши итальянские коллеги из Университета Милан-Бикокка обратились к нам с задачей — найти органические кристаллы аминокислот, которые легко раскалывались бы по определенным плоскостям (так называемым «плоскостям спайности»), образуя тонкие пластинки с идеально гладкой поверхностью. Такие пластинки нужны для создания органических полупроводниковых материалов — они служат в качестве подложек (основы) для нанесения на них полупроводникового слоя. Наш аспирант Павел Золотарев провел поиск кристаллов аминокислот среди всех известных молекулярных веществ (а их более полумиллиона), затем выделил среди них те, в которых молекулы образуют бесконечные слои за счет достаточно прочных взаимодействий (водородных связей), в то время как между слоями связи гораздо более слабые.

Эта информация была получена из анализа сеток межмолекулярных связей — наши программы автоматически распознают водородные связи и более слабые взаимодействия и анализируют, какого типа системы они образуют, в частности, сразу выделяют слоистые фрагменты. Павел нашел одиннадцать веществ, которые удовлетворяли требуемым условиям. Он проработал четыре месяца в Милане, сам синтезировал эти кристаллы — во всех случаях прогноз подтвердился! Теперь мы уверены, что можем с высокой точностью находить кристаллы с плоскостями спайности и в других молекулярных веществах.

Другой пример связан с одной из наиболее развитых наших тем — ионными проводниками. В конце 2014 года в нашу лабораторию приехал аспирант кафедры электрохимии МГУ Станислав Федотов. У него была задача поиска новых катодных материалов с подвижными ионами натрия и достаточно высокой катионной емкостью. За неделю работы из примерно 15 тысяч известных соединений натрия, используя наши методы, он отобрал около 110 веществ, по нашим критериям удовлетворяющим поставленным условиям.

Наша компьютерная программа автоматически строит сетку путей миграции ионов в структуре и выясняет, будет ли эта сетка пронизывать весь кристалл, то есть смогут ли ионы переносить электрический заряд по всему кристаллу. Внимательно просмотрев список, Станислав сказал, что 90 процентов из них ему известны — это катодные материалы, которые уже используются на практике. Программа об этом не знала и тем не менее нашла их! Оставшиеся десять процентов Станиславу были неизвестны — именно они и могут служить новыми катодными материалами. Сейчас наши коллеги работают над их синтезом.

Как развивается ваша компьютерная программа?

За примерно десять лет (до конца 90-х годов) в нашем программном комплексе, который сейчас называется ToposPro, были реализованы методы, которые опять-таки были интересны только узким специалистам. Мы были еще очень далеки от того, что сейчас называется теоретическим материаловедением — от практического прогнозирования новых материалов. Мы развивали наш программный комплекс, а он развивал нас. На это требовалось время.

Качественный скачок произошел в 2003 году, когда я познакомился с моим другом и нынешним научным руководителем мегагранта профессором Давиде Прозерпио из Миланского университета. Он высыпал передо мной целый ворох задач, о которых я не имел представления, задач нерешенных и очень интересных!

Последующие десять лет были по сути непрерывной гонкой — я, работая уже один (Шевченко вынужден был уйти из науки в 2005 году), решал одну задачу за другой, а Прозерпио ставил новые и новые. Затем к этому процессу стали подключаться ученые со всего мира — Давиде обладает уникальной способностью объединять людей из разных стран и находить у них общие интересы. Можно сказать, что с 2003 года ToposPro развивался многими людьми, которые участвовали в постановке задач и тестировании программы, и количество этих людей сейчас стремительно растет.

С 2013 года, после победы в конкурсе мегагрантов, наступил следующий этап нашего развития — мы наконец получили достаточные средства для создания полноценной научной группы; в проект вернулся Шевченко — после восьми лет перерыва! За четыре года выполнения мегагранта мы вывели ToposPro на профессиональный уровень — теперь им пользуются сотни ученых из десятков стран мира, и их число продолжает увеличиваться. Растет и число новых задач — ToposPro развивается, и мы развиваемся вместе с ним.

Я часто говорю, что для меня ToposPro — не просто компьютерная программа, это определенная философия, взгляд на то, как нужно рассматривать и понимать устройство твердого тела. Этим ToposPro и прост, и сложен одновременно — чтобы научиться на нем работать, недостаточно только выучить команды программы — нужно понять, как она «думает», как она представляет себе структуру кристалла. Давиде говорит, что у ToposPro «очень большая энергия активации» — на языке химии это значит, что вы должны затратить много времени на его освоение, но потом работать становится удивительно легко. Нередко ToposPro подсказывает нам решения, до которых мы сами не могли додуматься.

Почему вы считаете перспективными алюминиевые аккумуляторы?

На самом деле это не мы считаем — для этого есть специалисты, всю жизнь занимающиеся вопросами хранения электроэнергии. Мы лишь им помогаем. Ведь удел теоретика — создавать модели, которые потом в жизнь воплотят другие. Алюминий — очень дешевый, практически неисчерпаемый и безопасный материал, кроме того, ионы алюминия несут высокий заряд, что очень важно для токопроводящих устройств. Сейчас в большинстве аккумуляторов используются литиевые соединения, но литий дорог и небезопасен — всем нам хорошо известны случаи возгорания литиевых аккумуляторов в смартфонах Samsung.

Алюминиевые аккумуляторы лишены этих недостатков, к тому же из-за более высокого заряда катионов алюминия (в три раза большего, чем заряд катионов лития) плотность тока в них больше, а значит, их можно делать компактнее, меньше размером, при тех же характеристиках. Алюминиевые аккумуляторы могут совершить революцию в технологиях производства источников энергии, и соответственно во всей нашей жизни. Другое дело, что еще несколько лет назад их создание считалось в принципе невозможным, да и сейчас многие специалисты относятся к ним весьма скептически. Я и сам в этом сомневаюсь до сих пор.

Почему?

Дело в том, что высокий заряд катиона алюминия играет и отрицательную роль — таким катионам очень трудно «протискиваться» через структуру твердого вещества из-за сильного взаимодействия с ней. Но наши последние исследования дают повод для оптимизма — уже найдены вещества, в которых алюминий выступает основным носителем заряда, и подвижность его достаточно высока. Вообще, ученый не должен говорить: «этого не может быть», он имеет право только сказать: «современная наука считает, что это невозможно». Но наука меняется, и невозможное сегодня становится возможным завтра.

Ведь за электрическими источниками энергии будущее. Я не сомневаюсь, что скоро мотоциклы и автомобили в основном перейдут на эти источники питания. Я только что приехал из Китая — меня поразило, что там уже сейчас в черте города все мотосредства передвижения — от велосипедов с мотором до грузовых рикш — на электроходу. Ни одного двигателя внутреннего сгорания на мотоциклах! На очереди автомобили — здесь технических проблем больше, но и они будут преодолены. Кто знает — может, благодаря алюминиевым аккумуляторам.

Вы занимаетесь теоретическими исследованиями. Планируется ли организация экспериментальной лаборатории?

Да, у нас в среднесрочной перспективе создание, по крайней мере, трех экспериментальных лабораторий — по синтезу металлоорганических каркасов, ионных проводников и интерметаллидов. Конечно, организовывать эти лаборатории будем не только и не столько мы — мы постараемся помочь нашим коллегам-химикам из университетов Самары заложить основу экспериментальной науки высокого уровня. Нам бы очень хотелось, чтобы это происходило не только в Италии, Германии, Великобритании, Китае или даже в Москве — то есть там, где наши прогнозы уже воплощаются в жизнь, но и в нашем родном регионе. Надеюсь, что этот созидательный процесс начнется уже в этом году.

С какими российскими и зарубежными учеными вы сотрудничаете? Какие у вас планы на ближайшие год-два?

Мы сотрудничаем примерно с 20 лабораториями и отдельными научными группами по всему миру. С кем-то сотрудничество ограничивается решением одной-двух задач, и потом мы долго не взаимодействуем, с кем-то мы работаем постоянно на протяжении многих лет. Я уже упоминал Миланский университет — с лабораторией профессора Прозерпио у нас самые долгие и плодотворные научные контакты в области прогнозирования координационных полимеров и металлоорганических каркасов. Мы работаем с Фрайбергской горной академией (Германия) и с кафедрой электрохимии МГУ по прогнозированию ионных проводников. С Университетом Милан-Бикокка мы успешно синтезировали перспективные органические подложки для микроэлектроники. С Университетом Генуи (Италия) мы работаем над новыми интерметаллидами. С Университетом Сассекса (Великобритания) мы планируем работы над новыми молекулярными магнитами, с той же Фрайбергской горной академией — над новыми пироэлектрическими материалами.

С Северо-западным политехническим университетом (город Сиань, Китай) мы создаем совместный российско-китайский инновационный центр, который займется как разработкой теоретических методов (развитием нашего комплекса программ ToposPro), так и созданием материалов для аддитивных технологий (3D-печати). Таким образом, в ближайшие год-два у нас откроется целый спектр новых перспективных направлений. Основная проблема — мы ощущаем острую нехватку квалифицированных кадров. Это, увы, неизбежное следствие слишком быстрого роста нашей лаборатории в последние годы. Количество интересных и практически значимых задач увеличивается очень быстро, а на то, чтобы воспитать специалиста, способного их самостоятельно решать, нужны годы. Мы остро нуждаемся в осмысленной государственной программе по подготовке материаловедческих кадров: ведь новые материалы — это новые вещи, которые определят облик завтрашнего дня. Надеюсь, что такая программа, российский «Генезис материалов», уже разрабатывается.