Поиск сверхтвёрдых материалов вышел из-под контроля: алгоритмы нашли то, что изменит промышленность

Искать материал, способный приблизиться к алмазу по твёрдости, — задача, стоящая на стыке химии, физики и материаловедения. Команда учёных из МФТИ и "Сколтеха" подошла к ней с неожиданной стороны: исследователи проанализировали всю таблицу Менделеева сразу, используя специализированные алгоритмы. Такой подход позволил определить круг веществ, которые потенциально могут заменить алмаз в буровом оборудовании, режущих инструментах и других высоконагруженных системах. Результаты работы стали основой для новой научной стратегии поиска сверхтвёрдых материалов.

Как алгоритмы помогают там, где суперкомпьютеры бессильны

Все свойства кристаллов и сложных молекул формируются взаимодействием атомов, конфигурацией их электронных оболочек и влиянием внешних факторов. При этом расчёт поведения системы каждый раз усложняется с добавлением новых электронов. Даже самые мощные вычислительные комплексы не справляются с анализом всех возможных комбинаций.

В начале 2000-х проблему серьёзно продвинул вперёд российский химик Артём Оганов. Он создал алгоритм эволюционного поиска USPEX, который умеет прогнозировать свойства кристаллов, опираясь только на химическую формулу и состав. Этот инструмент стал революцией: тысячи исследователей по всему миру начали применять его для поиска новых соединений, включая уникальные сверхпроводники и чрезвычайно прочные материалы.

В новой работе Оганов и его коллеги представили обновлённую версию алгоритма, который теперь способен просеивать периодическую таблицу целиком в поисках материала, не уступающего алмазу по ключевым параметрам — твёрдости и износостойкости.

Почему именно такие материалы так важны

Сверхтвёрдые вещества нужны для создания буровых коронок, режущих пластин, износостойких вставок, токарных резцов и промышленных инструментов. Обычно в этих задачах применяют алмазы или кубический нитрид бора, однако синтетический алмаз дорог, а его применение ограничено химической реактивностью. Поэтому поиск доступной альтернативы — актуальная задача для машиностроения, энергетики, оборонной промышленности и нефтегазовой отрасли.

Что показал анализ всей таблицы Менделеева

Алгоритм USPEX проверил комбинации элементов по устойчивости, плотности решётки, потенциальной твёрдости и способности сохранять структуру при экстремальных условиях. Оказалось, что модель предсказывает свойства известных сверхтвёрдых материалов с точностью свыше 90 %. Это означает, что подход можно использовать как надёжный навигатор в поисках новых веществ.

Одним из самых неожиданных результатов стал гидрид марганца. Ранее его не рассматривали как производную сверхтвёрдых структур, поскольку считали, что он не способен образовать устойчивую твёрдую фазу. Моделирование показало противоположное: он может быть тверже стишовита — формы двуокиси кремния, возникающей под ударами метеоритов.

Другим перспективным кандидатом стал пентаборид вольфрама, один из материалов, который сейчас находится в стадии лабораторного синтеза. Его свойства уже близки к характеристикам алмаза.

Эта карта помогает направлять экспериментаторов к наиболее перспективным веществам, сокращая стоимость и сроки разработки.

Сравнение перспективных материалов

Советы шаг за шагом: как ищут сверхтвёрдые материалы

1. Отбирают комбинации элементов из таблицы Менделеева.

2. Прогоняют их через алгоритм прогнозирования структуры.

3. Оценивают стабильность структуры при давлении и температуре.

4. Анализируют потенциальную твёрдость и сопротивление деформации.

5. Проверяют устойчивые варианты в лабораторных условиях.

6. Корректируют модели и запускают новые итерации поиска.

Ошибка → Последствие → Альтернатива

• Ошибка: полагаться только на экспериментальные поиски.
  Последствие: огромные затраты времени и средств.
  Альтернатива: цифровые алгоритмы первичного отбора.
• Ошибка: ограничивать исследования двумя-тремя комбинациями элементов.
  Последствие: пропуск перспективных материалов.
  Альтернатива: анализ всей таблицы Менделеева.
• Ошибка: ориентироваться только на твёрдость.
  Последствие: низкая износостойкость или нестабильность структуры.
  Альтернатива: комплексная оценка механических и термодинамических свойств.

А что если…

…новые материалы окажутся не только твёрже алмаза, но и устойчивее к химическим реакциям? Это может полностью изменить индустрию бурения, где сейчас приходится учитывать особенности взаимодействия алмаза с металлами и высокими температурами.

Плюсы и минусы компьютерного поиска материалов

FAQ

Насколько близко найденные материалы по твёрдости к алмазу?
Пентаборид вольфрама и гидрид марганца демонстрируют показатели, сопоставимые с лучшими образцами сверхтвёрдых веществ.

Почему алмаз всё ещё незаменим?
Он сочетает высокую твёрдость, теплопроводность и стабильность, что остаётся уникальным сочетанием.

Можно ли создать материал, превосходящий алмаз?
Теоретически — да. Алгоритмы показывают, что такие соединения возможны, но пока не синтезированы.

Мифы и правда о сверхтвёрдых материалах

Миф: алмаз — самый твёрдый материал в природе.
Правда: существуют материалы с аналогичной или даже большей твёрдостью, но они крайне редки или нестабильны.

Миф: для поиска новых материалов нужны только суперкомпьютеры.
Правда: алгоритмы вроде USPEX снижают вычислительную нагрузку в разы.

Миф: сверхтвёрдые вещества обязательно дороги.
Правда: всё зависит от состава и технологий синтеза.

Три интересных факта

• Некоторые сверхтвёрдые материалы формируются только под давлением, сравнимым с давлением в мантии Земли.
• Пентаборид вольфрама рассматривается и как термостойкий экран для космических аппаратов.
• Алгоритм USPEX используется более чем в 60 странах.

Исторический контекст

2004 год — создание алгоритма USPEX.

2010-е годы — активное развитие методов эволюционного моделирования.

Современный этап — анализ всей таблицы Менделеева для поиска сверхтвёрдых соединений.