Российские ученые создали метод картирования химического пространства
Ученые давно пытались придумать систему предсказания свойств веществ по их химическому составу, и одной из концепций стало химическое пространство. По сути, вещества помещаются в координатную систему, где по осям неким образом отложены химические элементы — так, чтобы соседние элементы и соединения обладали похожими свойствами. Впервые такой способ предложил в 1984 г. британский физик Д. Петтифор, приписавший каждому элементу некие числа ("менделеевские числа"), смысл и происхождение которых были неясны. Ученые из Сколковского института науки и технологий раскрыли физический смысл загадочных менделеевских чисел и предложили метод их расчета из фундаментальных свойств атомов. Им удалось показать, что такие менделеевские числа и построенное на них химическое пространство, более эффективны, чем предлагавшиеся до сих пор эмпирические варианты. Результаты работы, поддержанной грантом Президентской программы Российского научного фонда для лабораторий мирового уровня, представлены в The Journal of Physical Chemistry С.
Уже сейчас известно великое множество химических соединений, а гипотетических соединений еще больше. Задача — систематизировать этот огромный массив данных и понять, какие соединения были бы интересны с точки зрения того или иного свойства — не из простых. Экспериментально измерить или теоретически рассчитать свойства всех возможных соединений нереально. Нужно сузить круг поиска.
В попытке как-то систематизировать знания о свойствах веществ британский физик Дэвид Петтифор предложил идею химического пространства. По сути, это координатная система, в которой по каждой координатной оси отложены элементы в некой последовательности (такой, что соседние элементы имеют похожие свойства — например, Na и K). Точки в этом пространстве — это соединения, и соседние соединения тоже будут иметь похожие свойства (например, NaCl и KCl). Здесь, например, сверхтвердые вещества будут занимать одну область, а сверхмягкие — другую. Имея такое химическое пространство, можно было бы создать алгоритм поиска наилучшего материала из всех возможных соединений всех элементов. Для создания такой "умной" карты ученые из Сколковского института науки и технологий (Сколтеха), Артем Оганов и Захед Аллахьяри, придумали свой универсальный подход, который имеет самую большую предсказательную силу среди наиболее известных систем такого типа.
Никто из ученых не понимал, каким образом Петтифор вывел свои менделеевские числа (судя по всему, это было сделано эмпирически), и их физический смысл оставался чем-то из области "эзотерики".
"Я лет 15 думал над тем, что же такое эти менделеевские числа, — рассказывает руководитель проекта по гранту РНФ Артем Оганов, профессор Сколтеха и МИСиС, действительный член Европейской академии (Academia Europaea), Королевского Химического Общества и Американского Физического Общества. — В конце концов я понял, что в их основе наверняка лежат фундаментальные характеристики атомов: радиус, электроотрицательность, поляризуемость и валентность. Валентность у многих элементов непостоянна, а поляризуемость очень сильно коррелирует с электроотрицательностью — поэтому остаются две характеристики, атомный радиус и электроотрицательность. Эти два свойства можно свести к одному простым математическим преобразованием — и мы получаем менделеевские числа. Стало ясно: эти величины есть ни что иное, как наилучшее описание всех свойств атома одним числом".
На основании рассчитанных менделеевских чисел ученые расположили все элементы в соответствующем порядке. Ряд стал и осью абсцисс, и осью ординат, а каждой точке в пространстве присвоили значение для определенной характеристики — например магнитной или механической — из открытых баз данных. В итоге получились карты свойств, где очень хорошо выделяются области, где расположены наиболее перспективные соединения (сверхтвердые, магнетики и прочие).