विकासवादी क्रिस्टलोग्राफी क्या है और इसके पीछे भविष्य क्यों है। बस जटिल के बारे में

ICover ब्लॉग पेज पर आपका स्वागत है ! आधुनिक कंप्यूटर मॉडलिंग प्रौद्योगिकियां वैज्ञानिकों को आवश्यक गुणों के साथ नई होनहार सामग्री के आभासी निर्माण की संभावना को प्रकट करती हैं, और ऐसे अवसरों की पोषित कुंजी विज्ञान - विकासवादी क्रिस्टलोग्राफी में एक नई दिशा बन गई है, जिसके बारे में हम अपने लेख में चर्चा करेंगे।



कोई भी वर्ष, दिन और घंटे की सटीक भविष्यवाणी करने में सक्षम नहीं है जब नई आशाजनक सामग्री की खोज की जाएगी। लेकिन पिछली शताब्दी में महत्वपूर्ण घटनाओं के पूर्वानुमान में काफी प्रगति अभी भी रेखांकित की गई है। सहमत हूं, सिर्फ सौ साल पहले, वैज्ञानिकों के निपटान में खोज करने के औजारों के बीच, यह सिर्फ इतना था कि एक ज्ञान और संचित प्रयोगों की एक परत थी। एक शानदार उदाहरण, सुपरकंडक्टिविटी की घटना की खोज का प्रसिद्ध तथ्य, जिसके लिए हेइके कामर्लिंग-ओनेस ने भौतिकी में नोबेल पुरस्कार प्राप्त किया। प्रयोग के दौरान, वैज्ञानिक को इस बात में दिलचस्पी हो गई कि पारा क्या हो सकता है अगर इसे 0 डिग्री केल्विन के तापमान तक ठंडा किया जाए। जब तापमान 4 डिग्री तक ठंडा हो गया, तो अप्रत्याशित तरीके से पारा प्रतिरोध शून्य पर आ गया, जिसने आने वाले दशकों के लिए विज्ञान के विकास को पूर्व निर्धारित किया,एक चुंबकीय पैड पर ट्रेनों का निर्माण, सुपरकंडक्टिंग मैग्नेट के साथ शक्तिशाली कण त्वरक, और आजकल - हवा में बढ़ते स्केटबोर्ड की उपस्थिति।



हेइके कामर्लिंग-ओनेस

इवोल्यूशनरी क्रिस्टलोग्राफी एक ऐसी विधि है जो कंप्यूटर एल्गोरिदम का उपयोग करके पूरी तरह से नई सामग्रियों के अस्तित्व की खोज और भविष्यवाणी करने की अनुमति देती है और बाद में, व्यावहारिक विकास के स्तर पर एक गणितीय अवधारणा को लागू करती है।

नई सामग्री कैसे बनाई जाती है

हमारे आसपास की प्रकृति में होने वाली किसी भी प्रक्रिया के मूलभूत गुणों में से एक ऊर्जा लागत को कम करने की इच्छा है। आइए कल्पना करने की कोशिश करें कि हमारा कार्य दो अलग-अलग प्रकार के परमाणुओं - क्लोरीन और सोडियम के स्थिर कनेक्शन की गणना करना है। जैसा कि आप स्कूल केमिस्ट्री कोर्स से जानते हैं, इस तरह का एक सरल यौगिक NaCl नमक है। उन पर दबाव के प्रभाव से यौगिक के गुणधर्म बदलने लगते हैं। इसलिए, उदाहरण के लिए, अल्ट्राहैग दबाव पर साधारण नमक, धातु में बदल सकता है। एक निश्चित दबाव में, परमाणु पहली पीढ़ी की संरचना बनाते हैं, और नए यौगिक में परमाणु एक कड़ाई से परिभाषित दबाव में कड़ाई से परिभाषित स्थिति पर कब्जा कर लेते हैं, क्रिस्टलोग्राफिक समूहों के अनुसार, जो इस मामले में कुल मिलाकर 200 से अधिक हैं।क्रिस्टलोग्राफिक समूह स्वयं बेतरतीब ढंग से चुने जा सकते हैं।

संयोजनों के प्रारंभिक सेट प्राप्त होने के बाद, न्यूनतम ऊर्जा मूल्यों के साथ संरचनाओं को इसमें से निकाला जाता है, जिसके बाद विकासवादी एल्गोरिदम की एक श्रृंखला आती है। यदि अपेक्षाकृत हाल तक, सबसे शक्तिशाली कंप्यूटर को यादृच्छिक रूप से परमाणुओं को फिर से व्यवस्थित करके कार्यों को हल करने में अरबों साल लग सकते हैं, तो विकासवादी एल्गोरिदम के आगमन के साथ, गणना के समय को परिमाण के कई आदेशों से कम कर दिया गया था। उनमें से एक आनुवंशिकता एल्गोरिथ्म है, जब विभिन्न संरचनाओं के कुछ हिस्सों को मिलाया जाता है, जो आपको नई संरचनाएं बनाने की अनुमति देता है जो माता-पिता की तुलना में बेहतर हैं। यह माता-पिता के डीएनए के वंशजों के हस्तांतरण के समान है। इसका परिणाम दूसरी पीढ़ी में होता है, जिसके बाद कई यादृच्छिक रूप से निर्मित संयोजनों को नमूने में जोड़ा जाता है और तीसरी पीढ़ी बनाई जाती है। अगला, एल्गोरिथ्म को दोहराया जाता हैजब तक परिणामस्वरूप नमूने संरचनाएं पीढ़ी से पीढ़ी तक बदलना बंद नहीं करती हैं। परिणाम को न्यूनतम ऊर्जा के साथ सबसे अच्छी संरचना के रूप में मान्यता प्राप्त है।

विकासवादी एल्गोरिदम का उपयोग करने के लिए ऊपर वर्णित विधि ने NaCl7 और सोडियम और क्लोरीन परमाणुओं से युक्त अन्य सामग्रियों के एक पूरे परिवार के एक स्थिर परिसर के अस्तित्व की संभावना का अनुमान लगाना संभव बना दिया। MIPT प्रयोगशाला में प्राप्त सिमुलेशन डेटा को उन प्रयोगात्मकों को हस्तांतरित किया गया, जिन्होंने वर्णित प्रायोगिक स्थितियों को पुन: उत्पन्न किया, वास्तव में पूर्वानुमानित सामग्री की खोज की और प्राप्त किया।

नई सामग्री - नए अवसर

सबसे अधिक बार, अवसरों की पूरी संभावना है कि बनाई गई सामग्रियों में निहित है, पहले से अनुमान लगाना मुश्किल है। सबसे सरल उदाहरण ग्रेफाइट है, जो पेंसिल से भरा है। इसके अणु में कई समानांतर विमान होते हैं, जो बदले में, कार्बन परमाणुओं से बने होते हैं, जो एक फुटबॉल नेट की एक सेल के समान हेक्सागोनल संरचना में संयुक्त होते हैं।

ग्राफीन

पिछले दशकों में वैज्ञानिक समुदाय का ध्यान आकर्षित करने वाले क्षेत्रों में से एक "परमाणु की दो-आयामी" सामग्री है जो एक परमाणु मोटी है। इसलिए 2004 में, मास्को इंस्टीट्यूट ऑफ फिजिक्स एंड टेक्नोलॉजी के स्नातक आंद्रेई गीम और कोंस्टेंटिन नोवोसेलोव ने पाया कि यदि एक हेक्सागोनल विमान को ग्रेफाइट अणु से "विभाजित" किया गया था, तो बहुत सारे फायदे के साथ एक नई सामग्री "ग्राफीन" प्राप्त की जा सकती है। 2010 में इस खोज के लिए, वैज्ञानिकों को भौतिकी में नोबेल पुरस्कार मिला।



ग्राफीन में निषिद्ध क्षेत्र की चौड़ाई शून्य है। यदि आप अपनी स्थिति पर इलेक्ट्रॉन ऊर्जा की निर्भरता को ग्राफिक रूप से प्लॉट करते हैं, तो आपको एक दूसरे के लिए निर्देशित कोने से जुड़े शंकु के रूप में प्रति घंटा जैसा दिखने वाला एक चित्र मिलेगा ("डायक शंकु")। यह निर्भरता इलेक्ट्रॉनों की गति की प्रकृति को प्रभावित करती है जो प्रकाश की गति के साथ तुलनीय गति से चलती है लेकिन जड़ता नहीं है, जैसे कि उनके पास कोई द्रव्यमान नहीं है। ग्राफीन में क्वासिपार्टिकल्स की गति 10,000 किमी / सेकंड तक होती है, जबकि एक पारंपरिक कंडक्टर में इलेक्ट्रॉनों की गति सेंटीमीटर से लेकर सैकड़ों मीटर प्रति सेकंड तक होती है। ग्राफीन, जिसमें इलेक्ट्रॉन बहुत तेज़ी से चलते हैं, उदाहरण के लिए, स्मार्टफोन की स्क्रीन के लिए एक आदर्श कोटिंग, नियंत्रण संकेत का न्यूनतम विलंब समय प्रदान कर सकता है। इस मामले में समस्या यह हैग्राफीन में इलेक्ट्रॉन समान गति के साथ सभी दिशाओं में चलते हैं और उनके आंदोलन के लिए प्राथमिकता दिशा बनाना काफी कठिन है।

Fagrafen

थोड़ी देर बाद, रूस, चीन, संयुक्त राज्य अमेरिका के वैज्ञानिकों का एक समूह, आर्टेम ओगनोव के नेतृत्व में - मास्को इंस्टीट्यूट ऑफ फिजिक्स एंड टेक्नोलॉजी में सामग्रियों के कंप्यूटर डिजाइन की प्रयोगशाला के प्रमुख, फिर से, कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग करते हुए, एक नए कार्बन दो आयामी सामग्री की संभावना की भविष्यवाणी की, तथाकथित ग्रेफीन का "पैचवर्क" एनालॉग, जिसमें पांच-, छह और हेप्टैगन शामिल हैं - तथाकथित "फाग्राफेन" (पेंटा-हेक्सा-हेप्टा-ग्राफीन)। अध्ययन के परिणाम नैनो पत्र पत्रिका में प्रकाशित किए गए थे। मॉस्को इंस्टीट्यूट ऑफ फिजिक्स एंड टेक्नोलॉजी में भौतिकी के एक ही संकाय में बनाए गए यूएसपीपीईएक्स (यूनिवर्सल स्ट्रक्चर प्रेडिक्टर: इवोल्यूशनरी टीकलोग्राफी) घरेलू कार्यक्रम - डिस्कवरी में मुख्य भूमिका आधुनिक विकासवादी क्रिस्टलोग्राफी में उपयोग किए जाने वाले कंप्यूटर सिमुलेशन सॉफ्टवेयर द्वारा निभाई गई थी।



फाग्राफेन में, यूएसपीईएक्स सॉफ्टवेयर एल्गोरिदम की मदद से आर्टेम ओगनोव और उनके सहयोगियों द्वारा खोजा गया, डीरेक शंकु भी मनाया जाता है, और इलेक्ट्रॉन बड़े पैमाने पर क्यूसिपार्टिकल्स के गुणों का प्रदर्शन करते हैं। एक ही समय में: "... इसके अलावा, छल्ले में परमाणुओं की अलग-अलग संख्या के कारण, डायक शंकु" झुका हुआ "हैं, इसलिए इसमें इलेक्ट्रॉनों की गति दिशा पर निर्भर करती है। ग्राफीन में ऐसा नहीं है। यह भविष्य के व्यावहारिक अनुप्रयोगों के लिए बहुत दिलचस्प हो सकता है, जहां। यह इलेक्ट्रॉनों की गति को अलग करने के लिए उपयोगी है, "आर्टेम ओगनोव ने समझाया।

ग्राफीन के सभी गुणों के होने के बाद, फाग्राफेन लचीली इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों, सौर पैनलों, ट्रांजिस्टर, डिस्प्ले और नई पीढ़ी के कई अन्य उपकरणों के निर्माण के लिए एक सामग्री के रूप में काम कर सकता है।



क्रिस्टल जाली की संरचना पर भौतिक गुणों की निर्भरता का एक और दिलचस्प उदाहरण ग्रेफाइट और हीरे के अक्षांशों में क्रिस्टल संरचनाओं की तुलना है। परमाणुओं की एक समान संख्या के साथ, ग्रेफाइट और हीरे के लिए क्रिस्टल जाली में उनकी आपसी व्यवस्था अलग है, जो गुणों में ज्ञात अंतर को मजबूर करती है। एक अच्छी पुष्टि कुछ तापमान स्थितियों के तहत बनाई गई आकृति स्मृति प्रभाव वाली सामग्री है। ठंडा होने पर, ऐसी सामग्री आसानी से विकृत हो जाती है; जब दोबारा गर्म किया जाता है, तो वे अपना प्रारंभिक आकार ले लेते हैं। एक स्मृति प्रभाव सामग्री का एक उदाहरण नाइटिनोल है, जिसमें टाइटेनियम और निकल परमाणु शामिल हैं।

एक स्मृति प्रभाव वाली सामग्री का उपयोग अस्थि भंग के लिए शंट के निर्माण में किया जा सकता है या, उदाहरण के लिए, विमान के इंजन के लिए झाड़ियों।

दवा

विकासवादी क्रिस्टलोग्राफी के आवेदन के कई होनहार क्षेत्रों में से एक दवा है, जहां वांछित गुणों के साथ सस्ती औषधीय सूत्रीकरण प्राप्त करना संभव हो जाता है - एकाधिकार द्वारा निर्मित महंगी दवाओं के एनालॉग और अधिकांश रोगियों के लिए दुर्गम। इस मामले में, विधि का कार्य वांछित गुणों के साथ एक सस्ती दवा की एक विशिष्ट रचना की खोज करना है। और ऐसी दवाएं पहले से ही बनाई और पेटेंट की जा रही हैं।

अंतरिक्ष

अंतरिक्ष में विकासवादी क्रिस्टलोग्राफी के तरीकों का उपयोग करके प्राप्त की गई नवीन सामग्री का उपयोग किया जाता है। ऐसी एक सामग्री सिलिका एयरगेल हो सकती है, जिसे अन्यथा "फ्रोजन स्मोक" कहा जाता है, जिसका उपयोग अंतरिक्ष स्टेशनों पर लौकिक धूल को फंसाने के लिए किया जाता है। इस सामग्री के अद्वितीय गुणों में से 98.8% में 15 बार हवा होती है, जिसने गिनीज बुक ऑफ रिकॉर्ड्स में अपनी जगह निर्धारित की। Airgel क्सीनन में चढ़ने में सक्षम है और कम तापीय चालकता है।



airgel

मंगल ग्रह के उपनिवेशण के अब लोकप्रिय विषय के संबंध में वैज्ञानिकों को एक वास्तविक चुनौती का सामना करना पड़ता है। इस साहसी कार्य के कार्यान्वयन के रास्ते में आने वाली समस्याओं में से एक को सौर विकिरण से सुरक्षा है। सीसा की एक मोटी परत उनके सुरक्षात्मक गुणों के समान प्रकाश सामग्री के लिए यहां अपरिहार्य है। तो, इस तरह की सामग्रियों का निर्माण एक और जरूरी काम है, जिसे आज एक या दूसरे तरीके से कंप्यूटर सिमुलेशन और विकासवादी क्रिस्टलोग्राफी विधियों द्वारा हल करना होगा।

तेजी से, विकासवादी क्रिस्टलोग्राफी के क्षेत्र में विशेषज्ञ आवश्यक गुणों के साथ सामग्री के भौतिक और गणितीय अवधारणा के विकास के लिए आदेश प्राप्त करते हैं। उदाहरण के लिए, आवश्यकता है चुम्बक के निर्माण की, जो कि उनकी संरचना में दुर्लभ पृथ्वी धातु नहीं है। यह आवश्यकता वास्तव में प्रासंगिक है और इसे काफी सरल रूप से समझाया जा सकता है: मौजूदा दुर्लभ-पृथ्वी धातु जमा का 90% चीन में स्थित है। इसका मतलब यह है कि शेष 10% के पूर्ण उपयोग पर, अगर मैग्नेट की मांग की वैश्विक संरचना में कोई कार्डिनल परिवर्तन नहीं होते हैं, तो भविष्य में एक पूर्ण एकाधिकार की भूमिका सभी आगामी परिणामों के साथ आकाशीय साम्राज्य को सौंपी जाएगी। लेकिन हम पहले से ही विकासवादी क्रिस्टलोग्राफी की विधि की क्षमताओं का उपयोग करके समस्या को हल करने के लिए एक सरल एल्गोरिथ्म जानते हैं:यह अच्छी चुंबकीय गुणों वाली नई सामग्रियों के लिए एक सैद्धांतिक खोज है, जो न्यूनतम ऊर्जा के साथ सबसे स्थिर संरचनाओं में से चयन और व्यवहार में सैद्धांतिक विकास के आगे कार्यान्वयन है।

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Source: https://habr.com/ru/post/hi388225/