🛁 🚵🏾 🤢 什么是演化晶体学，为什么其背后是未来。只是复杂 🕍 🐷 💪🏿

欢迎使用iCover博客页面！现代计算机建模技术向科学家揭示了虚拟创造具有必要特性的新材料的可能性，而这种机会的珍贵钥匙已成为科学的新方向-进化晶体学，我们将在本文中进行讨论。

没有人能够准确地预测发现新的有前途的材料的年，日和小时。但是，在过去的一个世纪中，在预测重大事件方面已经取得了重大进展。仅仅一百年前，我们就同意，在可供科学家使用的各种搜索工具中，只是有一层积累的知识和预感而进行的无休止的实验。一个很好的例子是发现超导现象的众所周知的事实，海克·卡默林·昂内斯（Heike Kamerling-Onnes）为此获得了诺贝尔物理学奖。在实验过程中，科学家对如果将汞冷却到接近0开氏温度的汞会发生什么感兴趣。当温度冷却到4度时，耐汞性以不可预测的方式下降到零，这预示了科学在未来几十年的发展，发明了磁性座垫火车，带有超导磁体的强大粒子加速器，如今-滑板在空中飞舞。

Heike Kamerling-Onnes

演化晶体学是一种方法，该方法允许使用计算机算法来发现和预测全新材料的存在，随后在实际开发水平上实施数学概念。

如何创建新材料

我们周围自然界中发生的任何过程的基本特性之一就是希望将能源成本降至最低。让我们尝试想象一下，我们的任务是计算两种不同类型的原子（氯和钠）的稳定连接。从学校化学课程中可以知道，这种简单的化合物就是熟悉的NaCl盐。化合物的性质随着压力的作用而开始变化。因此，例如，普通盐在超高压下会变成金属。在一定的压力下，原子会产生第一代的结构，并且在严格限定的压力下，新化合物中的原子将根据晶体学基团占据一个严格限定的位置，在这种情况下，总共超过200个。结晶基团本身可以随机选择。

在获得一组初步组合之后，从中提取具有最小能量值的结构，然后进行一系列的进化算法。如果相对最近，功能最强大的计算机可能需要数十亿年才能解决由随机重排原子引起的问题，那么随着进化算法的出现，计算时间减少了许多数量级。其中之一是遗传算法，可以将各种结构的各个部分混合在一起，这使您可以创建比父结构更好的新结构。这类似于将亲本DNA转移到后代。这导致了第二代，此后将许多随机创建的组合添加到样本中，并创建了第三代。接下来，重复该算法，直到直到最终的采样结构不再代代相传。结果被认为是具有最小能量的最佳结构。

上述使用进化算法的方法可以预测存在稳定的NaCl7化合物以及由钠和氯原子组成的其他材料的整个家族的可能性。在MIPT实验室获得的模拟数据被转移到实验人员，他们在复制了描述的实验条件之后，实际上发现并接收了预测的材料。

新材料-新机遇

大多数情况下，很难预先估计所创建材料中固有的机会的全部潜力。最简单的例子是石墨，里面充满了铅笔。它的分子由几个平行平面组成，这些平面又由碳原子组成，并以类似于足球网孔的六边形结构结合。

石墨烯

在过去的几十年中，引起科学界密切关注的领域之一是一个原子厚的“二维”材料。因此，2004年，莫斯科物理技术学院的毕业生安德烈·吉姆（Andrei Geim）和康斯坦丁·诺沃塞洛夫（Konstantin Novoselov）发现，如果一个六边形平面从石墨分子“分裂”，那么可以获得具有很多优点的新材料“石墨烯”。由于2010年的这一发现，科学家获得了诺贝尔物理学奖。

石墨烯中的禁区宽度为零。如果您以图形方式绘制电子能量对它们位置的依赖性，您将得到一个类似于沙漏的图形，其形式是圆锥体，圆锥体彼此指向顶点（“狄拉克圆锥体”）。这种依赖性影响了以与光速相当的速度运动但没有惯性的电子运动的性质，就好像它们没有质量一样。石墨烯中准粒子的速度接近10,000 km / s，而传统导体中的电子速度范围则从每秒厘米到数百米。电子在其中快速移动的石墨烯可以成为例如智能手机屏幕的理想涂层，从而提供最短的控制信号延迟时间。在这种情况下的问题是石墨烯中的电子以相同的速度向各个方向移动，因此很难为其移动确定优先方向。

Fagrafen

不久之后，来自俄罗斯，中国和美国的一组科学家在莫斯科物理技术研究所材料计算机设计实验室的负责人阿尔乔姆·奥加诺夫（Artem Oganov）的领导下，再次使用计算机模拟，预测了一种新型碳二维材料（所谓的碳二维材料）的可能性。石墨烯的“拼凑而成”类似物，由五，六和七边形组成-所谓的 “ Fagrafen”（Penta-Hexa-heptA-石墨烯）。研究结果发表在《纳米快报》上。这一发现的关键作用是由现代进化晶体学中使用的计算机模拟软件工具-莫斯科物理技术学院同一物理学院创建的USPPEX（通用结构预测器：进化Xtallography）国内计划进行的。

在由Artem Oganov及其同事借助USPEX软件算法发现的fagrafen中，还观察到了狄拉克锥，并且电子表现出无质量的准粒子的特性。同时：“ ...此外，由于环中原子的数量不同，狄拉克锥是“倾斜的”，因此电子在其中的速度取决于方向。在石墨烯中不是这样。这对于将来的实际应用可能非常有趣改变电子的速度非常有用，” Artem Oganov解释道。

具有石墨烯的所有特性，fagrafen可以用作制造柔性电子设备，太阳能电池板，晶体管，显示器和新一代设备的许多其他组件的材料。

材料特性对晶格结构的依赖性的另一个有趣的例子是石墨和金刚石晶格中晶体结构的比较。在原子数相同的情况下，石墨和金刚石在晶格中的相互排列是不同的，这导致了特性上的已知差异。一个很好的确认是在一定温度条件下具有形状记忆效果的材料。冷却时，此类材料容易变形；重新加热时，它们会呈现其初始形状。记忆效应材料的一个例子是镍钛诺，它由钛和镍原子组成。

具有记忆作用的材料可用于制造骨折的分流器，或用于飞机发动机的衬套。

药

进化晶体学的许多有前途的应用领域之一是医学，在这里有可能获得具有所需特性的廉价药物制剂-垄断者生产的昂贵药物的类似物，并且绝大多数患者无法获得。在这种情况下，该方法的任务是搜索具有所需特性的可负担药物的特定组成。这类药物已经被创造并申请了专利。

空间篇

通过进化晶体学方法获得的创新材料被用于太空。一种这样的材料可以是二氧化硅气凝胶，也称为“冷冻烟雾”，用于空间站以捕获太空尘埃。这种材料的独特性能决定了它在吉尼斯世界纪录中的地位，其中98.8％的空气是空气的15倍。气凝胶能够在氙气中飞扬，并且导热率低。

气凝胶

在火星殖民化这个现在很流行的话题上，科学家也面临着真正的挑战。在执行此大胆任务的过程中必须解决的问题之一是防止太阳辐射。对于保护性能相似的轻质材料来说，厚的铅层是必不可少的。因此，创建此类材料是另一项紧迫的任务，当今必须通过计算机仿真和演化结晶学方法来解决。

越来越多的进化晶体学领域的专家接到命令，要求开发具有所需特性的材料的物理和数学概念。例如，对于制造在其结构中不含稀土金属的磁体的需求正在成熟。这种需求确实是相关的，并且可以很简单地加以解释：现有稀土金属矿床中有90％位于中国。这意味着，在剩余的10％全部使用后，如果全球对磁铁的需求结构没有根本性的变化，未来绝对垄断者的角色将被分配给天帝国，并随之而来。但是我们已经知道利用演化晶体学方法的能力来解决问题的简化算法：这是对具有良好磁性能的新材料进行理论研究，从中选择能量最少的最稳定结构，并在实践中进一步实施理论。

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