O que é cristalografia evolutiva e por que o futuro está por trás disso. Quase complicado
Bem-vindo às páginas do blog iCover ! As modernas tecnologias de modelagem por computador revelam aos cientistas a possibilidade de criação virtual de novos materiais promissores com as propriedades necessárias, e a chave estimada para tais oportunidades se tornou uma nova direção na ciência - a cristalografia evolutiva, que discutiremos em nosso artigo.
Ninguém é capaz de prever com precisão o ano, dia e hora em que novos materiais promissores serão descobertos. Porém, progressos consideráveis na previsão de eventos significativos ao longo do século passado foram delineados. Concordo, há apenas cem anos, entre as ferramentas para pesquisar à disposição dos cientistas, era apenas que havia uma camada de conhecimento acumulado e infinitas experiências realizadas com um palpite. Um exemplo brilhante, o fato bem conhecido da descoberta do fenômeno da supercondutividade, pelo qual Heike Kamerling-Onnes recebeu o Prêmio Nobel de Física. Durante o experimento, o cientista ficou interessado no que poderia acontecer ao mercúrio se ele fosse resfriado a uma temperatura próxima a 0 graus Kelvin. Quando a temperatura foi resfriada a 4 graus, a resistência ao mercúrio de maneira imprevisível caiu para zero, o que predeterminou o desenvolvimento da ciência nas próximas décadas,a criação de trens de amortecimento magnético, potentes aceleradores de partículas com ímãs supercondutores e hoje em dia - a aparência de skates voando no ar.
A cristalografia evolutiva de Heike Kamerling-Onnes é um método que permite o uso de algoritmos de computador para descobrir e prever a existência de materiais completamente novos e, posteriormente, implementar um conceito matemático no nível do desenvolvimento prático.Como novos materiais são criados
Uma das propriedades fundamentais de qualquer processo que ocorre na natureza ao nosso redor é o desejo de minimizar os custos de energia. Vamos tentar imaginar que nossa tarefa é calcular a conexão estável de dois tipos diferentes de átomos - cloro e sódio. Como você sabe no curso de química da escola, um composto tão simples é o conhecido sal NaCl. As propriedades do composto começam a mudar com o efeito da pressão sobre eles. Assim, por exemplo, o sal comum, a pressões ultra altas, pode se transformar em metal. A uma certa pressão, os átomos criam a estrutura da primeira geração, e os átomos no novo composto a uma pressão estritamente definida ocupam uma posição estritamente definida, de acordo com grupos cristalográficos, que no total, neste caso, são mais de 200.Os próprios grupos cristalográficos podem ser selecionados aleatoriamente.Após a obtenção de um conjunto preliminar de combinações, são extraídas estruturas com valores mínimos de energia, após as quais ocorre uma série de algoritmos evolutivos. Se, até relativamente recentemente, o computador mais poderoso pudesse levar bilhões de anos para resolver as tarefas reorganizando átomos aleatoriamente, então, com o advento dos algoritmos evolutivos, o tempo de cálculo foi reduzido em muitas ordens de magnitude. Um deles é o algoritmo de hereditariedade, quando partes de várias estruturas são misturadas, o que permite criar novas estruturas melhores que as principais. Isso é semelhante à transferência do DNA dos pais para os descendentes. Isso resulta na segunda geração, após a qual várias combinações criadas aleatoriamente são adicionadas à amostra e a terceira geração é criada. Em seguida, o algoritmo é repetido atéaté que as estruturas de amostragem resultantes parem de mudar de geração em geração. O resultado é reconhecido como a melhor estrutura com o mínimo de energia.O método descrito acima, usando algoritmos evolutivos, possibilitou prever a possibilidade da existência de um composto estável de NaCl7 e de toda uma família de outros materiais constituídos por átomos de sódio e cloro. Os dados de simulação obtidos no laboratório MIPT foram transferidos para experimentadores que, depois de reproduzidas as condições experimentais descritas, descobriram e receberam os materiais previstos.Novos materiais - novas oportunidades
Na maioria das vezes, é difícil estimar com antecedência todo o potencial das oportunidades inerentes aos materiais criados. O exemplo mais simples é a grafite, que é preenchida com lápis. Sua molécula consiste em vários planos paralelos, que, por sua vez, são compostos de átomos de carbono, combinados em uma estrutura hexagonal semelhante a uma célula de uma rede de futebol.Grafeno
Uma das áreas que atraiu a atenção da comunidade científica nas últimas décadas são os materiais "bidimensionais" de um átomo de espessura. Assim, em 2004, os graduados do Instituto de Física e Tecnologia de Moscou Andrei Geim e Konstantin Novoselov descobriram que, se um plano hexagonal fosse "separado" de uma molécula de grafite, um novo "grafeno" material com muitas vantagens poderia ser obtido. Por essa descoberta em 2010, os cientistas receberam o Prêmio Nobel de Física.
A zona proibida no grafeno tem largura zero. Se você plotar graficamente a dependência da energia eletrônica na posição deles, obterá uma figura semelhante a uma ampulheta na forma de cones conectados por vértices direcionados um ao outro (“cones Dirac”). Essa dependência influencia a natureza do movimento dos elétrons que se movem a velocidades comparáveis à velocidade da luz, mas não têm inércia, como se não tivessem massa. A velocidade das quasipartículas no grafeno se aproxima de 10.000 km / s, enquanto a velocidade dos elétrons em um condutor convencional varia de centímetros a centenas de metros por segundo. O grafeno, no qual os elétrons se movem muito rapidamente, pode se tornar, por exemplo, um revestimento ideal para a tela de um smartphone, proporcionando um tempo de atraso mínimo do sinal de controle. O problema neste caso éque os elétrons no grafeno se movem em todas as direções com velocidades iguais e é muito difícil criar uma direção prioritária para o movimento deles.Fagrafen
Um pouco mais tarde, um grupo de cientistas da Rússia, China e Estados Unidos, sob a liderança de Artem Oganov - chefe do laboratório de design de materiais do Instituto de Física e Tecnologia de Moscou, novamente, usando simulação computacional, previu a possibilidade de um novo material bidimensional de carbono, o chamado O análogo de "patchwork" do grafeno, composto por cinco, seis e heptágonos - os chamados "Fagrafen" (Penta-Hexa-heptA-grafeno). Os resultados do estudo foram publicados na revista Nano Letters. O papel principal da descoberta foi desempenhado por uma ferramenta de software de simulação em computador usada na cristalografia evolutiva moderna - o programa doméstico USPPEX (Universal Structure Predictor: Evolutionary Xtallography) criado na mesma faculdade de física do Instituto de Física e Tecnologia de Moscou.
Em fagrafen, descoberto por Artem Oganov e seus colegas com a ajuda dos algoritmos de software USPEX, também são observados cones de Dirac e elétrons exibem as propriedades de quasipartículas sem massa. Ao mesmo tempo: "... Além disso, devido ao número diferente de átomos nos anéis, os cones Dirac são" inclinados ", de modo que a velocidade dos elétrons depende da direção. Isso não ocorre no grafeno. Isso pode ser muito interessante para aplicações práticas futuras, onde é útil variar a velocidade dos elétrons ", explicou Artem Oganov.Com todas as propriedades do grafeno, o fagrafen pode servir como material para a fabricação de dispositivos eletrônicos flexíveis, painéis solares, transistores, displays e muitos outros componentes de uma nova geração de dispositivos.
Outro exemplo interessante da dependência das propriedades do material na estrutura da rede cristalina é uma comparação das estruturas cristalinas nas redes de grafite e diamante. Com um número igual de átomos, seu arranjo mútuo na rede cristalina de grafite e diamante é diferente, o que implica a diferença conhecida nas propriedades. Uma boa confirmação são materiais com um efeito de memória de forma criado sob certas condições de temperatura. Ao resfriar, esses materiais são facilmente deformados e, quando reaquecidos, assumem sua forma inicial. Um exemplo de um efeito de memória é o nitinol, que consiste em átomos de titânio e níquel.Os materiais com efeito memória podem ser utilizados na fabricação de derivações para fraturas ósseas ou, por exemplo, buchas para motores de aeronaves.Remédio
Uma das muitas áreas promissoras de aplicação da cristalografia evolutiva é a medicina, onde é possível obter formulações medicinais baratas com as propriedades desejadas - análogos de medicamentos caros fabricados por monopolistas e inacessíveis à grande maioria dos pacientes. Nesse caso, a tarefa do método é procurar uma composição específica de um medicamento acessível com as propriedades desejadas. E esses medicamentos já estão sendo criados e patenteados.Espaço
Materiais inovadores obtidos usando os métodos da cristalografia evolutiva são usados no espaço. Um desses materiais pode ser aerogel de sílica, também chamado de "fumaça congelada", usado em estações espaciais para capturar poeira cósmica. As propriedades únicas deste material, 98,8% das quais consistem em ar 15 vezes, determinaram seu lugar no Guinness Book of Records. O aerogel é capaz de voar em xenônio e tem baixa condutividade térmica.
AerogelOs cientistas também enfrentam um desafio real em conexão com o tópico agora popular da colonização de Marte. Um dos problemas que devem ser resolvidos no caminho para a implementação dessa tarefa ousada é a proteção contra a radiação solar. Aqui é indispensável uma espessa camada de chumbo para materiais leves semelhantes em suas propriedades de proteção. Portanto, a criação de tais materiais é outra tarefa urgente, que hoje, de um jeito ou de outro, terá que ser resolvida por simulação em computador e métodos de cristalografia evolutiva.Cada vez mais, especialistas no campo da cristalografia evolutiva recebem ordens para o desenvolvimento de um conceito físico e matemático de materiais com as propriedades necessárias. Por exemplo, a necessidade está amadurecendo para a criação de ímãs que não contêm metais de terras raras em sua estrutura. Essa necessidade é realmente relevante e pode ser explicada de maneira simples: 90% dos depósitos de metais de terras raras existentes estão localizados na China. Isso significa que, com o uso total dos 10% restantes, se não houver mudanças importantes na estrutura global da demanda por ímãs, o papel de um monopolista absoluto no futuro será atribuído ao Império Celestial com todas as conseqüências resultantes. Mas já conhecemos um algoritmo simplificado para resolver o problema usando os recursos do método da cristalografia evolutiva:trata-se de uma busca teórica de novos materiais com boas propriedades magnéticas, seleção entre elas das estruturas mais estáveis com energia mínima e posterior implementação do desenvolvimento teórico na prática.
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