Будущее уже здесь: машина научилась создавать материалы, которых ещё не существует в природе

Когда алмаз перестаёт быть пределом твёрдости, наука получает вызов. Химики из МФТИ и Сколтеха, опираясь на разработанный ими алгоритм анализа таблицы Менделеева, фактически создали "карту" поиска материалов, способных конкурировать с алмазом. Результаты опубликованы в Journal of Applied Physics — и они открывают путь к новому классу сверхтвёрдых соединений, ранее считавшихся невозможными.

Алгоритмы против догм

Работа опирается на идею, предложенную ещё в 2004 году российским химиком Артёмом Огановым, создателем эволюционного алгоритма USPEX. Этот инструмент позволил впервые предсказывать свойства кристаллов по одной лишь химической формуле. Теперь новая версия алгоритма стала основой для анализа всей таблицы Менделеева. Учёные Оганов, Квашнин и Захид Аллаяри применили её к задаче поиска равной алмазу по прочности субстанции.

Алмаз долгое время считался недосягаемым стандартом, но USPEX разрушает это представление. Алгоритм моделирует взаимодействие атомов при разных температурах и давлениях, выявляя структуры, способные сохранять прочность в экстремальных условиях. Такой подход исключает случайный поиск и заменяет его целенаправленной симуляцией.

Почему это важно? Потому что расчёт свойств вещества — задача, где каждое добавление электрона увеличивает сложность в геометрической прогрессии. Даже суперкомпьютеры не способны точно смоделировать взаимодействие всех частиц. Алгоритм Оганова решает это через эволюционное приближение — он "учится" на каждой итерации, отбрасывая неэффективные комбинации и усиливая перспективные.

Эволюционная химия как инструмент открытия

Ранее алгоритм открыл множество неожиданных веществ: сверхпроводники на основе урана, уникальные сплавы вольфрама, и даже азот-хромовую смесь, названную "идеальной взрывчаткой". Теперь же исследователи расширили границы поиска, охватив практически всю таблицу Менделеева.

Результат оказался впечатляющим: свойства известных сверхтвёрдых соединений алгоритм предсказал с точностью свыше 90 %. Это означает, что машина не только воспроизводит известные данные, но и способна предвосхищать открытия.

Можно ли доверять таким расчётам? Да, потому что они подкреплены экспериментами. Уже подтверждено, что один из прогнозированных материалов — гидрид марганца — проявил свойства твёрдой фазы, ранее считавшейся невозможной. Более того, его твёрдость превысила показатели стишовита — формы диоксида кремния, образующейся при метеоритных ударах.

От теории к синтезу

Теперь группа химиков сосредоточена на создании пентаборида вольфрама, вещества, максимально приближенного по характеристикам к алмазу. Этот материал демонстрирует высокий модуль упругости и устойчивость к деформации при температурах, недостижимых для традиционных кристаллов.

Процесс синтеза сверхтвёрдых соединений требует точных условий давления и температуры, что делает лабораторные эксперименты дорогими. Но новая "дорожная карта" снижает число бесполезных попыток, ускоряя отбор кандидатов.

Как выглядит практическая последовательность действий?

1. Ввести химическую формулу в алгоритм USPEX.
2. Задать диапазон температур и давлений.
3. Получить список устойчивых структур.
4. Отобрать те, что демонстрируют пиковую твёрдость.
5. Передать данные в лабораторию для физического синтеза.

Этот путь короче и дешевле классического метода "проб и ошибок". Эволюционная химия превращается в навигацию по химическому пространству, где исследователь больше не действует вслепую.

Ошибки прошлого и новые ориентиры

Многие годы считалось, что сверхтвёрдые материалы ограничиваются несколькими известными формами углерода, бором и нитридом кубического типа. Но модель Оганова опровергает этот догмат. Ошибка старых подходов в том, что они полагались на интуитивный выбор элементов. Последствия — медленный прогресс и высокая стоимость экспериментов. Альтернатива — машинный отбор, исключающий субъективность.

Сравнение прошлого и настоящего показывает: если раньше на открытие одного нового соединения уходили годы, то теперь достаточно нескольких недель вычислений. Разница — в масштабе поиска и точности прогноза.

Что изменится, если алгоритм станет общедоступным? Вероятно, мы увидим стремительный рост числа синтетических сверхтвёрдых веществ. Это ударит по монополии алмаза не только в промышленности, но и в инструментальном производстве, где износостойкость определяет экономику.

Контекст и значение открытий

Сверхтвёрдые материалы применяются в буровых коронках, резцах, микроинженерии и даже в электронике. Замена алмазов снизит себестоимость и откроет новые варианты обработки металлов. По данным Journal of Applied Physics, наиболее перспективными направлениями признаны соединения вольфрама, титана, бора и углерода в разных конфигурациях.

Современные материалы развиваются по принципу функциональности: важна не только прочность, но и теплопроводность, химическая инертность, устойчивость к радиации. Алгоритм USPEX позволяет моделировать их совокупно, что раньше было недостижимо.

Можно ли ожидать, что алмаз потеряет статус уникального минерала? Пока нет, но тенденция очевидна. Как только синтезированные аналоги станут дешевле и массовее, рынок неизбежно переориентируется. Алмаз останется символом, но не инструментом.

Будущее без алмаза

Сейчас лаборатории России, Китая и США тестируют результаты модели на практике. В ближайшие годы может появиться серия новых композитов, сравнимых по твёрдости с алмазом, но легче в обработке.

Это изменит не только промышленность, но и научный подход. Химия переходит из эмпирической стадии в вычислительную. Идея, что каждое вещество можно предсказать до его существования, перестаёт быть теорией.

Почему именно Россия стала центром этого направления? Потому что традиция фундаментальной физико-химической школы, заложенная ещё в советское время, сочетается с современными вычислительными методами. МФТИ и Сколтех оказались в точке, где физика, математика и информатика объединились в реальный инструмент открытия.