📌 🎉 🤜🏼 ما هو علم البلورات التطوري ولماذا المستقبل وراءه. فقط معقدة 🛳️ 👨🏻‍⚕️ 🏿

مرحبًا بك في صفحات مدونة iCover ! تكشف تقنيات النمذجة الحاسوبية الحديثة للعلماء عن إمكانية إنشاء مواد واعدة جديدة بالخصائص الضرورية ، وأصبح المفتاح المحبذ لمثل هذه الفرص اتجاهًا جديدًا في العلوم - علم البلورات التطوري ، والذي سنناقشه في مقالتنا.

الصورة

لا أحد قادر على التنبؤ بدقة بالسنة واليوم والساعة التي سيتم فيها اكتشاف مواد واعدة جديدة. لكن تم إحراز تقدم كبير في توقع الأحداث الهامة خلال القرن الماضي. موافق ، قبل مائة عام فقط ، من بين أدوات البحث تحت تصرف العلماء ، كان هناك فقط طبقة من المعرفة المتراكمة وتجارب لا نهاية لها أجريت على حدس. مثال رائع ، الحقيقة المعروفة لاكتشاف ظاهرة الموصلية الفائقة ، والتي حصل هايك كاميرلينج أونز على جائزة نوبل في الفيزياء. خلال التجربة ، أصبح العالم مهتمًا بما يمكن أن يحدث للزئبق إذا تم تبريده إلى درجة حرارة قريبة من 0 درجة كلفن. عندما تم تبريد درجة الحرارة إلى 4 درجات ، انخفضت مقاومة الزئبق بطريقة غير متوقعة إلى الصفر ، وهو ما حدد مسبقًا تطور العلم لعقود قادمة ،إنشاء قطارات على وسادة مغناطيسية ، ومسرعات جسيمات قوية مع مغناطيس فائق التوصيل ، وفي الوقت الحاضر - ظهور ألواح التزلج في الهواء.

الصورة

إن Heike Kamerling-Onnes

Evolutionary Crystallography هي طريقة تسمح باستخدام خوارزميات الكمبيوتر لاكتشاف والتنبؤ بوجود مواد جديدة تمامًا ، وبالتالي تنفيذ مفهوم رياضي على مستوى التطور العملي.

كيف يتم إنشاء مواد جديدة

إحدى الخصائص الأساسية لأي عملية تحدث في الطبيعة من حولنا هي الرغبة في تقليل تكاليف الطاقة. دعونا نحاول أن نتخيل أن مهمتنا هي حساب الاتصال المستقر لنوعين مختلفين من الذرات - الكلور والصوديوم. كما تعلم من دورة الكيمياء المدرسية ، فإن مثل هذا المركب البسيط هو ملح NaCl المألوف. تبدأ خصائص المركب في التغير مع الضغط. لذا ، على سبيل المثال ، يمكن أن يتحول الملح العادي ، عند ضغط مرتفع للغاية ، إلى معدن. عند ضغط معين ، تخلق الذرات هيكل الجيل الأول ، وستشغل الذرات في المركب الجديد عند ضغط محدد بدقة موضعًا محددًا بدقة ، وفقًا للمجموعات البلورية ، والتي يبلغ إجماليها في هذه الحالة أكثر من 200.يمكن اختيار المجموعات البلورية نفسها بشكل عشوائي.

بعد الحصول على مجموعة أولية من التركيبات ، يتم استخراج الهياكل ذات قيم الطاقة الدنيا منها ، وبعد ذلك تأتي سلسلة من الخوارزميات التطورية. إذا كان الكمبيوتر الأقوى قد يستغرق ، مؤخرًا نسبيًا ، مليارات السنين لحل المشكلات التي تطرحها إعادة ترتيب الذرات عشوائيًا ، ثم مع ظهور الخوارزميات التطورية ، تم تقليل وقت الحساب بالعديد من أوامر الحجم. واحد منهم هو خوارزمية الوراثة ، عندما يتم خلط أجزاء من هياكل مختلفة ، مما يسمح لك بإنشاء هياكل جديدة أفضل من تلك الأصلية. هذا مشابه لنقل الحمض النووي الأبوي للأحفاد. ينتج عن هذا الجيل الثاني ، وبعد ذلك يتم إضافة عدد من المجموعات التي تم إنشاؤها عشوائيًا إلى العينة ويتم إنشاء الجيل الثالث. بعد ذلك ، يتم تكرار الخوارزمية حتىحتى تتوقف هياكل أخذ العينات الناتجة عن التغيير من جيل إلى جيل. النتيجة معترف بها كأفضل هيكل بأقل طاقة.

جعلت الطريقة الموضحة أعلاه باستخدام الخوارزميات التطورية من الممكن التنبؤ بوجود مركب ثابت من NaCl7 وعائلة كاملة من المواد الأخرى التي تتكون من ذرات الصوديوم والكلور. تم نقل بيانات المحاكاة التي تم الحصول عليها في مختبر MIPT إلى المجربين الذين قاموا ، بعد استنساخ الظروف التجريبية الموصوفة ، باكتشاف المواد المتوقعة وتلقيها بالفعل.

مواد جديدة - فرص جديدة

في معظم الأحيان ، يصعب تقدير الإمكانات الكاملة للفرص الكامنة في المواد التي تم إنشاؤها مسبقًا. أبسط مثال على ذلك هو الجرافيت المملوء بأقلام الرصاص. يتكون جزيئها من عدة طائرات متوازية ، والتي بدورها تتكون من ذرات الكربون ، مجتمعة في هيكل سداسي يشبه خلية شبكة كرة القدم.

الجرافين

من المجالات التي جذبت اهتمام المجتمع العلمي عن كثب على مدى العقود الماضية المواد "ثنائية الأبعاد" لسمك ذرة واحدة. لذا في عام 2004 ، وجد خريجو معهد موسكو للفيزياء والتكنولوجيا أندريه جيم وكونستانتين نوفوسيلوف أنه إذا تم "فصل" طائرة سداسية واحدة من جزيء الجرافيت ، فيمكن الحصول على مادة جديدة "الجرافين" مع الكثير من المزايا. لهذا الاكتشاف في عام 2010 ، حصل العلماء على جائزة نوبل في الفيزياء.

الصورة

المنطقة المحرمة في الجرافين لها عرض صفري. إذا قمت برسم اعتماد طاقة الإلكترون على موقعها بيانيًا ، فستحصل على شكل يشبه الساعة الرملية في شكل مخاريط متصلة بواسطة قمم موجهة لبعضها البعض ("Dirac cones"). يؤثر هذا الاعتماد على طبيعة حركة الإلكترونات التي تتحرك بسرعات مماثلة لسرعة الضوء ولكنها لا تحتوي على القصور الذاتي ، كما لو لم يكن لها كتلة. تقترب سرعة الجسيمات شبه في الجرافين من 10000 كم / ثانية ، بينما تتراوح سرعة الإلكترونات في موصل تقليدي من سنتيمترات إلى مئات الأمتار في الثانية. يمكن أن يصبح الجرافين ، الذي تتحرك فيه الإلكترونات بسرعة كبيرة ، ، على سبيل المثال ، طلاءًا مثاليًا لشاشة الهاتف الذكي ، مما يوفر الحد الأدنى من وقت التأخير لإشارة التحكم. المشكلة في هذه الحالةأن الإلكترونات في الجرافين تتحرك في جميع الاتجاهات بسرعات متساوية ومن الصعب جدًا إنشاء اتجاه ذي أولوية لحركتها.

فاجرافين

بعد ذلك بقليل ، تنبأت مجموعة من العلماء من روسيا والصين والولايات المتحدة ، بقيادة أرتيم أوغانوف - رئيس مختبر تصميم الكمبيوتر للمواد في معهد موسكو للفيزياء والتكنولوجيا ، مرة أخرى ، باستخدام محاكاة الكمبيوتر ، بإمكانية وجود مادة جديدة ثنائية الأبعاد للكربون ، تسمى التناظرية "المرقعة" من الجرافين ، التي تتكون من خمسة ، ستة ، وسباعي - ما يسمى "فاجرافين" (Penta-Hexa-heptA-Graphene). تم نشر نتائج الدراسة في مجلة Nano Letters. تم لعب الدور الرئيسي في الاكتشاف بواسطة أداة برمجيات محاكاة الكمبيوتر المستخدمة في علم البلورات التطوري الحديث - برنامج USPPEX (توقع البنية العالمية: تطور Xtallography) الذي تم إنشاؤه في نفس كلية الفيزياء في معهد موسكو للفيزياء والتكنولوجيا.

الصورة

في fagrafen ، التي اكتشفها Artem Oganov وزملاؤه بمساعدة خوارزميات برنامج USPEX ، تمت ملاحظة مخاريط Dirac أيضًا ، وتظهر الإلكترونات خصائص الجسيمات شبه الكثيفة. في الوقت نفسه: "... علاوة على ذلك ، نظرًا لاختلاف عدد الذرات في الحلقات ، فإن مخروط ديراك" مائل "، وبالتالي فإن سرعة الإلكترونات الموجودة فيه تعتمد على الاتجاه. هذا ليس كذلك في الجرافين. قد يكون هذا مثيرًا للاهتمام جدًا للتطبيقات العملية المستقبلية ، حيث "من المفيد تغيير سرعة الإلكترونات" ، أوضح Artem Oganov.

نظرًا لأن جميع خصائص الجرافين ، يمكن أن تعمل fagrafen كمواد لتصنيع الأجهزة الإلكترونية المرنة والألواح الشمسية والترانزستورات والشاشات والعديد من المكونات الأخرى لأجهزة الجيل الجديد.

الصورة

مثال آخر مثير للاهتمام لاعتماد خصائص المواد على بنية الشبكة البلورية هو مقارنة الهياكل البلورية في شبكات الجرافيت والماس. مع عدد متساوٍ من الذرات ، يختلف ترتيبها المتبادل في الشبكة البلورية للجرافيت والماس ، مما يستتبع الاختلاف المعروف في الخصائص. التأكيد الممتاز هو المواد ذات تأثير ذاكرة الشكل التي تم إنشاؤها في ظروف درجة حرارة معينة. عند التبريد ، يتم تشوه هذه المواد بسهولة ، عند إعادة تسخينها - تأخذ شكلها الأولي. مثال على مادة تأثير الذاكرة هو النيتينول ، والذي يتكون من ذرات التيتانيوم والنيكل.

يمكن استخدام المواد ذات تأثير الذاكرة في تصنيع تحويلات كسور العظام أو ، على سبيل المثال ، البطانات لمحركات الطائرات.

الطب

الطب من المجالات العديدة الواعدة لتطبيق علم البلورات التطوري هو الطب ، حيث يصبح من الممكن الحصول على تركيبات طبية رخيصة الثمن مع الخصائص المرغوبة - نظائر الأدوية باهظة الثمن المصنعة من قبل الاحتكاريين والتي يتعذر على الغالبية العظمى من المرضى الوصول إليها. في هذه الحالة ، تتمثل مهمة الطريقة في البحث عن تركيبة معينة من دواء ميسور التكلفة مع الخصائص المطلوبة. ويتم بالفعل إنشاء هذه الأدوية وبراءات الاختراع.

الفضاء

يتم استخدام المواد المبتكرة التي تم الحصول عليها باستخدام طرق علم البلورات التطوري في الفضاء. قد تكون إحدى هذه المواد هو هلام السيليكا الهوائي ، أو ما يسمى "الدخان المتجمد" ، المستخدم في محطات الفضاء لاحتجاز غبار الفضاء. الخصائص الفريدة لهذه المادة ، التي تتكون 98.8٪ منها من الهواء 15 مرة ، تحدد مكانها في موسوعة جينيس للأرقام القياسية. Airgel قادرة على الارتفاع في زينون ولديها موصلية حرارية منخفضة.

الصورة

ايرجيل

يواجه العلماء أيضًا تحديًا حقيقيًا فيما يتعلق بالموضوع الشهير الآن وهو استعمار المريخ. واحدة من المشاكل التي يجب حلها في طريق تنفيذ هذه المهمة الجريئة هي الحماية من الإشعاع الشمسي. لا غنى عن طبقة سميكة من الرصاص للمواد الخفيفة المماثلة في خصائصها الوقائية. لذا ، يعد إنشاء مثل هذه المواد مهمة ملحة أخرى ، والتي يجب حلها بطريقة أو بأخرى اليوم عن طريق محاكاة الكمبيوتر وأساليب البلورات التطورية.

بشكل متزايد ، يتلقى المتخصصون في مجال علم البلورات التطوري أوامر لتطوير مفهوم فيزيائي ورياضي للمواد مع الخصائص المطلوبة. على سبيل المثال ، تنضج الحاجة لإنشاء مغناطيسات لا تحتوي على معادن أرضية نادرة في هيكلها. هذه الحاجة ذات صلة حقًا ويمكن تفسيرها بكل بساطة: 90٪ من رواسب المعادن الأرضية النادرة الموجودة في الصين. هذا يعني أنه عند الاستخدام الكامل لـ 10 ٪ المتبقية ، إذا لم تكن هناك تغييرات جوهرية في الهيكل العالمي للطلب على المغناطيس ، فسيتم تعيين دور المحتكر المطلق في المستقبل للإمبراطورية السماوية مع جميع العواقب المترتبة على ذلك. لكننا نعرف بالفعل خوارزمية مبسطة لحل المشكلة باستخدام إمكانات طريقة علم البلورات التطوري:هذا بحث نظري عن مواد جديدة ذات خصائص مغناطيسية جيدة ، واختيار من بينها الهياكل الأكثر استقرارًا بأقل قدر من الطاقة والمزيد من التنفيذ للتطور النظري في الممارسة.

أعزائي القراء ، يسعدنا دائمًا أن نلتقي وننتظرك على صفحات مدونتنا. نحن على استعداد لمواصلة مشاركة أحدث الأخبار ومقالات المراجعة والمنشورات الأخرى معك وسنحاول أن نبذل قصارى جهدنا لجعل الوقت الذي تقضيه معنا مفيدًا لك. وبالطبع لا تنسى الاشتراك في أقسامنا . مقالاتنا وأحداثنا الأخرى

مجموعة خاصة من هدايا العام الجديد من iCover