• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
01.11.2023
Сколтех
256

Новый метод предсказал кристаллические структуры с учетом влияния температур

4.4

Исследователи из Сколтеха, МФТИ и Всероссийского НИИ автоматики имени Н. Л. Духова предложили метод, который снижает нагрузку на суперкомпьютер и тем самым делает возможным предсказание кристаллической структуры материалов при любых температурах. В своей работе ученые рассчитали структуру силиката магния в нижней мантии и железа во внутреннем ядре Земли, уточнив принятую в современной геологии картину. Без предложенного коллективом альтернативного подхода подобные вычисления оказались бы непомерно дорогими. Новый метод готов к применению к другим химическим системам.

Новый метод предсказал кристаллические структуры с учетом влияния температур
Новый метод предсказал кристаллические структуры с учетом влияния температур / © Getty images / Автор: Михаил Григорьев

«Хотя и раньше можно было предсказать, какое взаимное расположение примут атомы тех или иных элементов при определенном давлении, поиск соответствующих кристаллических структур был возможен только для температуры абсолютного нуля, то есть для умозрительного случая, далекого от того, что происходит в глубине Земли», — прокомментировал исследование его руководитель, профессор Сколтеха Артем Оганов.

По его словам, учесть влияние ненулевой температуры в расчетах трудно из-за того, что тепловые колебания атомов порождают огромное число возможных конфигураций их взаимного расположения, и каждая требует вычислений. В итоге стоимость расчета становится запретительно высокой. Однако лишь так до сих пор можно было определить стабильность всех теоретически возможных кристаллических структур и, соответственно, узнать, какие из них будут иметь место в реальных условиях.

Авторы опубликованной в npj Computational Materials статьи нашли способ принципиально снизить вычислительную стоимость решения описанной задачи, не жертвуя точностью расчетов. Новый подход испытали на двух до конца не решенных вопросах из области науки о планетах: какова кристаллическая структура железа во внутреннем ядре Земли и где именно в нижней мантии пролегает граница между двумя фазами силиката магния? Ответы позволят сделать выводы о распределении температуры и тепловых потоках внутри планеты сегодня и в другие периоды ее истории.

«Мы уточнили фазовые диаграммы железа и силиката магния. В частности, мы подтвердили, что железо в условиях твердого внутреннего ядра Земли должно принимать гексагональную плотноупакованную структуру. Наш расчет, правда, исходит из чисто железного ядра — учесть возможное влияние примесей предстоит в будущем, — рассказал Оганов. — Кроме того, мы уточнили границу фазового перехода силиката магния — основного компонента мантии Земли. Эта информация в сочетании с сейсмологическими данными позволяет оценить температурное распределение в мантии».

Особая вычислительная эффективность и высокое качество результатов нового метода объясняются тремя факторами. Во-первых, чрезвычайно сложные квантово-механические расчеты заменяются так называемыми машинно обучаемыми потенциалами, которые при куда более скромной нагрузке на вычислительные мощности почти идеально воспроизводят те же результаты. Во-вторых, при помощи термодинамической теории возмущений создателям метода удалось ценой незначительных дополнительных вычислений повысить точность предсказания структур, сделав его истинно эквивалентным квантово-механическому расчету.

Наконец, в-третьих, побочным эффектом предсказания структур при ненулевых температурах является упрощение одного из аспектов вычислений. В частности, сложность предсказания устойчивых кристаллических структур в значительной мере связана с колоссальным количеством возможных конфигураций, которые соответствуют локальным минимумам энергии системы (а именно минимальная энергия системы является признаком устойчивости ее состояния). Так вот, с ростом температуры число локальных минимумов уменьшается, а значит, вариантов меньше, и это упрощает задачу.

Помимо железа и силиката магния, научный коллектив испытал свой метод на алюминии, бориде вольфрама и диоксиде гафния и считает его готовым для применения к другим соединениям. Исследование поддержано грантами Российского научного фонда, а также Фондом содействия инновациям и Министерством науки и высшего образования России.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Сколковский институт науки и технологий — негосударственный технологический университет, расположенный в инновационном центре Сколково. Институт был создан в 2011 году при поддержке Массачусетского технологического института. Модель института предусматривает тесную интеграцию технологического образования, исследовательской работы и предпринимательских навыков. Институт ведёт обучение по программам магистратуры и PhD, рабочий язык — английский.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
12 июля
Александр Березин

Falcon 9 Block 5 впервые за три сотни запусков дал частично неудачный полет. Ракета выводила 20 спутников компании SpaceX, с 15 связь уже пропала, еще пять могут быть потеряны в ближайшее время.

12 июля
Татьяна

Американские астронавты давно жалуются на систему ассенизации в скафандрах, которая представляет собой просто большой подгузник. Хватает его максимум на восемь часов, есть риск развития опрелостей и инфекций. К тому же в костюме мало запасов питьевой воды. Чтобы решить эти проблемы, ученые предложили более эффективный способ утилизации продуктов метаболизма.

Позавчера, 11:29
Татьяна

Все клеточные организмы ученые ведут от гипотетического предка — LUCA. Существует масса предположений и расчетов о том, как он был устроен, где и когда возник. В новой работе исследователи из Великобритании попытались ответить на эти вопросы.

12 июля
Александр Березин

Falcon 9 Block 5 впервые за три сотни запусков дал частично неудачный полет. Ракета выводила 20 спутников компании SpaceX, с 15 связь уже пропала, еще пять могут быть потеряны в ближайшее время.

Позавчера, 11:29
Татьяна

Все клеточные организмы ученые ведут от гипотетического предка — LUCA. Существует масса предположений и расчетов о том, как он был устроен, где и когда возник. В новой работе исследователи из Великобритании попытались ответить на эти вопросы.

12 июля
Татьяна

Американские астронавты давно жалуются на систему ассенизации в скафандрах, которая представляет собой просто большой подгузник. Хватает его максимум на восемь часов, есть риск развития опрелостей и инфекций. К тому же в костюме мало запасов питьевой воды. Чтобы решить эти проблемы, ученые предложили более эффективный способ утилизации продуктов метаболизма.

25 июня
Игорь Байдов

Ученые из Китая и Бельгии воссоздали в лаборатории условия, существовавшие на Меркурии четыре миллиарда лет назад, и выяснили, что они были идеальными для образования слоя алмазов, который с течением времени становился лишь толще.

21 июня
Nadya

Земля начала формироваться примерно 4,5 миллиарда лет назад. Чтобы понять, как это происходило в ранние периоды развития нашей планеты, ученые ищут образцы древних горных пород. Одну из таких, возрастом почти 3,5 миллиарда лет, обнаружили рядом с городом Колли в Австралии.

1 июля
Александр Березин

Необычный биологический вид, по оценке авторов новой научной работы, пригоден для заселения четвертой планеты без каких-либо предварительных условий — уже в том виде, в котором он существует сейчас. Поскольку речь идет о фотосинтетическом организме, он способен нарабатывать существенное количество кислорода. Интересно, что кандидат на терраформирование Марса сохранил жизнеспособность после месяца в жидком азоте.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий
Подтвердить?
Подтвердить?
Причина отклонения
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно