Российские ученые разработали способ улучшения алгоритмов, используемых для прогнозирования кристаллических структур химических соединений. Это позволит значительно ускорить процесс открытия новых веществ.
Результаты исследования опубликованы в журнале Computer Physics Communications.
Постоянно появляющиеся новые технологии ставят перед химиками задачу поиска и разработки инновационных веществ и материалов, обладающих улучшенными характеристиками: повышенной прочностью, легкостью, стабильностью и сверхпроводимостью. Перечислить все необходимые инновации в области материаловедения, актуальные для современного мира, было бы затруднительно. Поиск и обнаружение новых соединений — сложный процесс. Экспериментальные исследования занимают много времени и требуют значительных затрат, поскольку зачастую необходимы специфические условия, сильно отличающиеся от обычных.
Если не знать, где искать, то перебор всех возможных вариантов и поиск оптимального соединения займет тысячи лет. Компьютерные технологии помогают ученым, позволяя точно прогнозировать структуры потенциальных соединений, после чего их можно получить в ходе экспериментальных исследований.
В 2005 году эволюционный алгоритм был разработан исследовательской группой во главе с профессором Артемом Огановым USPEX для предсказания кристаллических структур веществ. И это, вероятно, самый успешный алгоритм в этой области на сегодня, используемый несколькими тысячами исследователей по всему миру.
Когда USPEX получает данные об атомах, из которых будет состоять новое вещество, он не рассматривает все возможные комбинации, поскольку это потребовало бы значительных вычислительных ресурсов. Вместо этого алгоритм создает ограниченное количество случайных структур, стабильность которых определяется путем оценки энергии их взаимодействия.
Химики в данном процессе действуют подобно селекционерам, «скрещивая» полученные структуры, затем их производные — и повторяя этот процесс до тех пор, пока не будут выявлены наиболее устойчивые соединения.
В рамках нового исследования специалисты из Сколтеха, МФТИ и Самарского технологического университета, руководимые профессором Сколтеха и МФТИ Артемом Огановым, внесли улучшения в первый этап алгоритма USPEX — процесс создания начальных структур. Исследователи выяснили, что произвольная генерация структур не является оптимальным подходом, и решили использовать принципы, встречающиеся в природе, разработав генератор случайных структур на основе подсказок, взятых из известных соединений.
Чтобы достичь этой цели, исследователи использовали базу данных кристаллических структур и объединили методы, разработанные Огановым, с топологическими подходами, предложенными профессором Владиславом Блатовым из Самары. По имеющимся данным, подавляющее большинство из 200 тысяч известных неорганических соединений относятся к трем тысячам топологических типов. Эта информация позволяет сразу формировать перечень соединений, содержащих структуру, близкую к необходимой. Проведенные испытания показали, что разработанный учеными генератор структур позволяет решать задачи предсказания в три раза быстрее.
«Из реальных структур путем абстракции выделяется три тысячи топологических типов. По этим трем тысячам типов возможно сгенерировать известные структуры, а также бесконечное множество еще не открытых, но логичных конструкций. Это предоставляет отличную основу для эволюционного процесса.
Вероятно, мы стартуем с области, содержащей наилучшее решение, и можем либо сразу получить его, либо найти близкое, после чего эволюционный механизм приведет нас к цели», — поясняет Павел Бушланов, первый автор исследования и сотрудник лаборатории Оганова в Сколтехе.