Science Slam: Артем Оганов – о жизни с химией и без

Science Slam: Артем Оганов - о компьютерном дизайне новых материалов

В "Москва Hall" прошла вторая битва ученых Science Slam, в рамках которой доктор технических наук, профессор университета штата Нью-Йорк в Стоуни-Брук, директор Центра дизайна материалов Артем Оганов рассказал о химии, Эдисоне, виагре и прогрессивных методах.

ВЕДУЩИЙ: Вначале раскачаемся с помощью приглашенного эксперта. Первое выступление будет не наших участвующих слэммеров, а приглашенного гостя, сегодня этим гостем будет доктор технических наук, профессор Университета штата Нью-Йорк, заведующий лабораторией в МФТИ Артем Оганов. Ваши аплодисменты.

АРТЕМ ОГАНОВ: Добрый вечер, друзья. Вот сотни лекций я уже прочитал по всему миру, но никогда не думал, что мне придется выступать в рок-клубе. Спасибо организаторам. Можно сказать, жизнь удалась.

А еще она удалась потому, что всю свою жизнь я следую за своей мечтой. И мечта, которую воплощаю я и моя лаборатория, состоит в том, чтобы научиться предсказывать, создавать новые материалы на компьютере. Об этом и будет речь.

Вообще, до сих пор, вы знаете, как люди открывают новые материалы? Есть два способа, и ни один из них не является научным. Первый способ – метод проб и ошибок, когда вы идете в лабораторию, тупо смешиваете, прошу прощения у тех, кто этим занимается, разные соединения в разных пропорциях, в разных условиях, и надеетесь, что что-то из этого хорошее сварится. В большинстве случаев ничего хорошего из этого не выходит.

Человек, который был пионером такого способа открытия материалов, Эдисон, говорил про себя: «Я не потерпел 10 тысяч неудач, я нашел 10 тысяч способов, которые не работают». То есть вам нужно долбать-долбать-долбать, пока что-то хорошее случайно на вас не упадет.

Есть другой способ – чистая случайность. И тут масса курьезных историй. Например, люди искали фреон для холодильников, а нашли, знаете, что? Тефлон, получили непригорающие сковородки. Искали люди лекарство от ангины и гипертонии, а нашли виагру. Дальше, помните, у Пугачевой была песня: «Сделать хотел утюг – слон получился вдруг»? Вот это оттуда.

Удивительные материалы были открыты совершенно случайным путем, о которых никто даже бы не догадался, что такие эффекты возможны, если бы люди случайно на них не наткнулись.
Например, сверхпроводимость – когда вещество при низкой температуре проводит электричество без сопротивления. До сих пор открывают все новые и новые сверхпроводники, уже делают поезда на основе сверхпроводимости, МРТ-диагностика делается на основе сверхпроводимости, коллайдеры, ускорители – все это включает в себя сверхпроводники. А материалы эти были открыты совершенно случайным путем.

Еще интересные материалы – это сплавы с памятью формы. И я принес вам такой проводочек, можно кипяток? Эффект этот абсолютно не вписывается в человеческие представления о реальности, как мне кажется. При высокой температуре этот сплав был закален в виде прямого провода, и эту форму прямого провода он запомнил, можно закалить, вообще-то, в любой форме, можно хоть Микки-Маусом его сделать, или, например, в виде букв ТУ, как здесь на экране, и эту форму он будет помнить всегда. Затем мы эту форму нарушаем, но стоит нам положить это в горячую воду, эта форма мгновенно восстановится. Посмотрите. Кто бы из вас мог подумать, что такое вообще возможно? Но вы видите. И это применяется, например, в зубных скобках, сердечных шунтах, авиадвигателях, нефтепроводах и так далее.

Или, например, другой эффект, когда цвет вещества у вас зависит от того, с какой стороны вы на него смотрите, вот как здесь. Кстати, я принес кристалл этого самого вещества. С одной стороны (кстати, я принес кристаллы этого вещества), вещество предстает перед вами коричневым, а с другой стороны – темно-синим. Это один и тот же кристалл. Вы подойдите ко мне после выступления, я вам покажу.

Почему вещества имеют те или иные свойства? В большинстве случаев причина кроется в кристаллической структуре вещества. На самом деле, вы видите здесь примеры графита и алмаза – химически одно и то же, структура разная. И в результате графит – черный, сверхмягкий, алмаз – бесцветный, прозрачный, сверхтвердый. Причина кроется именно в структуре.
Или посмотрите, например, на биологически активные молекулы. Посмотрите, например, ДНК. Ведь структура ДНК определяет то, как ДНК несет наследственность, как реплицируется ДНК, как переносится информация от родителей к детям. Понимание структуры очень важно, понимание структуры белков дает понимание того, почему мы болеем, почему, так или иначе, происходят процессы в нашем организме.

Ровно 100 лет назад люди научились определять кристаллические структуры вещества из эксперимента, это принесло массу Нобелевских премий, вы видите здесь некоторые из них. Ну а как насчет того, чтобы предсказывать? Люди ведь всегда хотят что-то предсказывать. Если вы хотите предсказать новый материал с полезными свойствами, вы не можете это сделать, не зная кристаллической структуры, не умея предсказывать ее, ведь свойства-то определяются структурой.

И до недавнего времени считалось, что эта задача абсолютно не решаемая. Вот замечательная статья, вы видите ее наверху, которая называется: «Предсказуемы ли кристаллические структуры?» Первое слово этой статьи – нет. Но это не очень нас отпугнуло, тем не менее, мы с моими студентами создали метод, который назвали «Успех», потому что это был большой успех для нас. И этот метод основан на идеях эволюции. То есть мы последовательно улучшаем качество популяции разных структур, и это дает возможность достаточно быстро эту задачу предсказывать. Без этого метода это бы у нас заняло времени больше, чем возраст Вселенной, но с помощью этого можно очень быстро эту задачу решать. И вот наши коллеги сказали, что это не только эволюционный, но даже революционный метод, что, конечно, нам очень польстило.

Посмотрите, здесь эволюционным способом я произвожу структуру алмаза – из ничего, просто из атомов, которые случайно были расположены поначалу в пространстве, и затем методом последовательных улучшений, вы видите, очень просто и легко получается алмаз.

Итак, мы решили применить этот метод к разного рода ситуациям, например, к химии экстремальных условий. К химии высоких давлений, когда химическая связь, и мы это знаем, меняется кардинальным образом, и вы получаете новое вещество, от которого учебники химии пухнут, от которого учителя химии хватаются за валокордин. И вещество, которое может быть очень важным для понимания Вселенной, ведь большая часть вещества нашей Земли, других планет и звезд, конечно же, находится в условиях очень высоких давлений. Если вы не понимаете, что происходит под давлением, вы не понимаете планету, на которой вы живете. И вот мы решили этим заняться.

И нас ждало множество сюрпризов, например, оказалось, что натрий, который является металлом, при давлении в 2 миллиона атмосфер (что много и не очень много в то же время, давление в центре Земли почти что 4 миллиона атмосфер, так что это значительно ниже), становится прозрачным неметаллом. Вот вы видите фотографию, это реальная фотография из эксперимента, который последовал вслед за нашим предсказанием, фотография прозрачного натрия. Мы предсказали – экспериментаторы сделали, все как в аптеке.

Иду я по территории своего университета, а территория у нас украшена флагами, которые празднуют великие открытия ученых нашего университета. Думаю я, глядя в асфальт, вдруг поднимаю глаза – вижу флаг: «Ученые Университета штата Нью-Йорк открыли прозрачную форму элемента натрия». Очень приятно.

Но это имеет массу интересных последствий, от которых любой уважающий себя учитель химии потянется за валокордином. Итак, что такое соль – хлорид натрия. Какая формула хлорида натрия? NaCl. Ну вот, структура, которая всем известна: положительный атом, отрицательный атом, пропорция 1 к 1, ровно. А вот это что такое? Если вы посчитаете химическую формулу, то получите NaCl7. Есть школьные учителя в зале? Есть двоечники по химии? Сегодня ваш праздник, сегодня ваш полный триумф, потому что это тоже существует. Раньше выгоняли за такое из школы, но теперь настал день возмездия. Итак, соль, которую мы знаем – такое замечательное белое соленое вещество, которое те из нас, кто не заботится о своем здоровье, бездумно едят.

Что говорит химия с первых страниц учебника химии? Что у натрия есть один электрон, от которого он хочет избавиться, и таким образом приобретет положительный заряд. Хлору не хватает одного электрона, и он хочет его притянуть, откуда только можно, и получить –1 заряд. +1 и –1 могут сочетаться только в пропорции 1 к 1, иначе не будет электрической нейтральности, вот и получается NaCl. Других возможностей классическая химия нам не дает. Мы сделали расчет, и действительно, при нормальных условиях, вот вы видите давление, вот вы видите химический состав устойчивых веществ. При нормальном давлении вы увидите чистый натрий, чистый хлор, и NaCl – все, как в учебнике. Но стоит вам чуть-чуть повысить давление, и что же возникает? NaCl3, NaCl7, Na3Cl, Na2Cl и Na3Cl2. Хорошо, что у нас сейчас нет учителей химии, им было бы сейчас очень дурно.

Более того, большинство этих соединений являются металлами, то есть очень хорошими проводниками электричества. Некоторые из них, например, Na3Cl, проводят электричество только в направлении одной плоскости, только внутри слоя, то есть это двумерные металлы, как графен, например, или как некоторые сверхпроводники. Удивительная штука, кто бы мог подумать, что хлорид натрия может быть таким? Может, эксперимент это показал, экспериментальные данные, которые полностью согласуются с нашими результатами.

Натрий настолько сильно сходит с ума под давлением, что он заставляет «вступить в брак» с собой, химическую реакцию с собой, самый инертный элемент, который называется гелий, и натрий с гелием образуют жутко устойчивое соединение. Вот такая интересная химия.

Вы можете подумать: это все при высоких давлениях практического применения иметь не будет. Но это не так. Этот новый класс химических соединений, который мы открыли, как выясняется, некоторые из таких соединений могут существовать уже при обычном давлении, например, фториды цезия, такие, как CsF2, CsF3, CsF5 – кошмар для учителя химии. Но поскольку они могут существовать при обычном давлении, им можно найти применение – применение для хранения фтора.

Сейчас фтор хранить практически невозможно. Во-первых, фтор со всем реагирует, все проедает. Во-вторых, если газовый баллон взорвется, всем будет очень плохо, то есть, собственно, никого не будет – это страшенное химическое оружие. А кроме того, в газовом баллоне можно перевозить очень малую массу фтора, поэтому так никто не делает. Наши материалы позволяют фтор перевозить очень компактно и очень эффективно. Стоит вам поднести спичку к этим фторидам цезия – фтор будет извлечен. Так что все очень просто и безопасно. Вот так необычная химия находит интересное новое применение, и мы запатентовали это.

Спросите учителя химии, какие устойчивые соединения есть у водорода и кислорода, он скажет вам: «Вода». А есть еще больше. Например, есть соединение, которое мы предсказали и которое имеет под собой уже экспериментальную базу с составом H6O, причем две трети водорода оттуда очень легко изымаются. Это вещество может революционизировать энергетику и транспорт, это будет гораздо эффективнее и гораздо чище, потому что при сгорании этого вещества образуется лишь пар воды, чем сжигание бензина, угля и так далее. Проблема только одна: это вещество требует давления выше 400 тысяч атмосфер. Если бы только мы могли это снизить… Это не невозможно, но пока мы не знаем, как.

Система MnB – ну до дыр химики это изучили. При нормальных условиях, никаких высоких давлений. Мы предсказали, что должно существовать новое соединение – MnB3. Химики на нас посмотрели с большим удивлением, пошли в лабораторию, они-то думали, что они нас опровергнут, а они нас подтвердили, и это соединение было получено ими в лаборатории. Как так проморгали? Компьютер помогает открывать новые материалы.

Вопрос, над которым уже лет 60 думают многие лаборатории по всему миру, бьются, работают: можно ли придумать что-то тверже, чем алмаз? Мы занялись этим вопросом, с помощью нашего метода можно задать компьютеру такой вопрос: «Что является самым твердым веществом?» Вы знаете ответ? Алмаз. Но иногда отрицательный ответ тоже очень важен: теперь вы не будете тратить свое время, ища то, чего не бывает. Отрицательный результат это тоже результат. И важный результат.

Чего я вам еще не сказал? О поисках новых магнитных материалов, которые нужны для ветроэлектростанций и много чего еще, у нас уже есть материалы, которые мы собираемся патентовать. О новых лекарственных препаратах: мы предсказали новые лекарственные препараты, которые мы, опять же, собираемся тестировать, и так далее. Новые полимерные материалы, которые были предсказаны и получены экспериментами.

А самое интересное – я наконец начал работать над задачей, о которой мечтал и которую боялся всю свою жизнь: предсказание структуры белка. Если мы научимся предсказывать структуру белков, то мы сделаем огромный шаг в понимании болезней и методов их лечения. Вот вы видите некоторые первые успешные расчеты, связанные с применением нашего метода к белкам, но это только самое начало.

Предсказывать новые материалы можно, нужно, интересно, это в кайф, это ломает стереотипы, которые мы веками коллекционировали, и это помогает создавать новые технологии. Спасибо.

ВЕДУЩИЙ: Спасибо, Артем. Примем парочку вопросов?

- Здравствуйте, меня зовут Оля. У меня вопрос по поводу структуры белка, так как я биолог. Предсказание его структуры, конечно, очень интересно, насколько успешны вообще ваши расчеты? То есть альфа-спираль, я так понимаю, вы предсказали?

АРТЕМ ОГАНОВ: Альфа-спираль мы предсказываем очень легко, это просто.

- Я понимаю, не хочу умалять ваших достоинств.

АРТЕМ ОГАНОВ: С белками мы начали только три месяца назад. Сейчас мы можем предсказывать структуру маленьких белков, где-то до 40 аминокислот, это довольно мало. Если мы сможем решать структуры порядка 100 аминокислотных остатков, то это будет иметь огромные последствия. Я думаю, мое такое интуитивное ощущение, что к концу года мы сможем порядка 200 аминокислотных остатков…

- Но это вторичные структуры?

АРТЕМ ОГАНОВ: Это и вторичные, и третичные.

- Желаю успехов.

АРТЕМ ОГАНОВ: Спасибо.

ВЕДУЩИЙ: Спасибо. Еще вопрос.

- Здравствуйте, меня тоже зовут Ольга. Относительно неорганической химии все понятно: другое давление – новые элементы. А как же белки, биохимия – это живой организм, как под давлением в живом организме? Я немножко не понимаю.

АРТЕМ ОГАНОВ: Нет, давление – это лишь один из аспектов, совсем необязательно делать это при высоких давлениях. Многое из того, что я показал, при нормальном давлении: белки при нормальном давлении, система MnB при нормальном давлении.

Давайте я немножко поточнее скажу. Давление я использовал как пример того, что под давлением возникают вещи, которые не вписываются в классическую химию, но наш метод позволяет такие совершенно неожиданные решения находить. Это значит, что метод очень мощный. А применять его можно как при низком давлении, так и при высоком, как при нормальном, так и при очень высоком.

- То есть то, что вы открываете при нормальном давлении, я все применимо к биохимии, это просто что-то, что еще не открыли до сих пор?

АРТЕМ ОГАНОВ: Применимо к биохимии пока что мы учимся, экспериментируем. То есть мы берем первичную структуру и затем смотрим, как она захочет сворачиваться, мы затем хотим понять ее вторичную, третичную структуру при обычных условиях. Можно менять температуру, можно менять сольвент, вот такие вещи являются параметрами.

- Спасибо.

ВЕДУЩИЙ: Так что, Ольга, не переживайте за белки.

- Здравствуйте, меня зовут Николай, я обратил внимание, что у вас на всех графиках давление было, по-моему, до 200 гигапаскалей, а можете ли вы выйти дальше, и вообще возможно ли это, не используя метод взрыва?

АРТЕМ ОГАНОВ: Конечно, можно. Мы исследуем разное давление, как я уже сказал, речь идет как о нормальных давлениях, так и о сверхвысоких давлениях, гораздо даже выше, чем 200, проблем нет. На самом деле, теоретические расчеты, я вам скажу маленькую тайну, с увеличением давления становятся более точными. Вот те приближения, которые делают теоретики, они, на самом деле, с увеличением давления становятся просто замечательными. Так что верхнего предела, по сути, нет.

Мы часто руководствуемся такими ситуациями, которые легко или относительно легко воспроизвести в эксперименте. Эксперимент статический с давлением может генерировать порядка 400 гигапаскалей, то есть 4 миллиона атмосфер, а взрывные эксперименты, ударные волны – там давление на два порядка выше.

ВЕДУЩИЙ: Спасибо, Артем. Спасибо за вопросы. У нас еще вопрос.

- Марк меня зовут. В общем, понятно, что вы можете предсказать структуру методом минимизации энергии. А как вы можете предсказать, что, например, алмаз самый твердый материал – это осталось неясным.

АРТЕМ ОГАНОВ: Это очень хороший вопрос, тоже, кстати говоря, показывает, насколько наука динамичная вещь. Как я вам уже показал, NaCl – это не всегда NaCl. Так же и тут. Лично я был воспитан в традиции, что твердость – это такое свойство, которое никогда нельзя будет предсказать, никогда нельзя будет посчитать, потому что это очень сложное свойство, которое включает в себя много разных эффектов, которые причудливым образом переплетаются друг с другом. Упругая деформация, пластическая деформация, хрупкое разрушение, дислокация – много всего.
Но выяснилось где-то 11 лет назад, китайские ученые опубликовали статью, в которую поначалу дружно все не поверили. Китайские ученые, которые это сделали, не были отягощены тем образовательным фоном, который довлел над нами, и они наивно так, по-простецки придумали модель, которая связывает твердость со структурой. Им никто не поверил, но потом выяснилось, что это действительно работает, потом даже выяснилось, что мы примерно понимаем, почему это работает.

И с тех пор появилось около десятка разных моделей, в том числе я тоже создал одну из таких моделей, основываясь, между прочим, на китайских работах, и эти модели работают очень и очень неплохо. Так что сейчас, имея структуру, вы можете достаточно хорошо оценить твердость вещества.

ВЕДУЩИЙ: Забавно слышать от ученых, что «мы примерно понимаем, как это работает». Спасибо, Артем.