Компьютерное моделирование кристаллических структур USPEX.
Метод компьютерного моделирования кристаллических структур USPEX позволяет предсказывать кристаллическую структуру материалов при произвольных условиях давления и температуры только исходя из знания химического состава материала.
Компьютерное моделирование кристаллических структур USPEX
Компьютерное моделирование кристаллических структур USPEX:
Учеными разработан метод компьютерного моделирования кристаллических структур различных материалов USPEX.
Метод компьютерного моделирования кристаллических структур USPEX позволяет предсказывать кристаллическую структуру материалов при произвольных условиях давления и температуры только исходя из знания химического состава материала (т.е. только исходя из знания названий химических элементов, входящих в состав материала), а также осуществлять поиск материалов с необходимыми физическими (механическими, электронными) свойствами.
Метод USPEX предсказывает кристаллические структуры помимо обычных материалов также и структуры следующих материалов: наночастиц, полимеров, поверхностей, межзеренных границ, 2D-кристаллов, молекулярных кристаллов (в том числе содержащих довольно сложные молекулы). Он также предсказывает кристаллические структуры как стабильных соединений, так и метастабильных.
Предсказание кристаллических структур решает важную научную задачу поиска материалов с заданными свойствами и изучения их свойств при определенных условиях температуры и давления (в т.ч. в условиях высоких и экстремальных температур и давлений). Традиционно это решалось путем проведения серий опытов и экспериментов.
Метод USPEX исключает проведение различных долгих и дорогостоящих опытов и экспериментов в целях поиска нужного вещества и структуры. Он позволяет ученым значительно экономить свои ресурсы и время.
Метод USPEX реализован в виде компьютерной программы и специального эволюционного алгоритма, суть которого сводится к поиску наиболее устойчивой структуры, т.е. к вычислению такого состояния вещества, которое обладает наименьшей энергией. При этом в алгоритме USPEX используется теория функционала плотности, которая позволяет упростить расчеты.
Эволюционный подход в алгоритме USPEX предполагает сначала генерацию небольшого количества структур и расчета их энергии. Варианты структур с наибольшей энергией (а потому наименее устойчивые) удаляются из дальнейших расчетов. Структуры с наименьшей энергией (а потому наиболее устойчивые) служат для генерации подобных им структур, которые также рассчитываются аналогичным образом. Одновременно случайным образом алгоритм для продолжения поиска генерирует новые структуры (т.н. новые популяции) для соответствующих расчетов. Таким образом, цикл поиска структуры с наименьшей энергией повторяется снова и снова до тех пор, пока задача поиска не будет выполнена.
Поскольку задача поиска нужной структуры вещества требует перебора миллиардов и миллиардов вариантов, а соответственно больших затрат времени и традиционные алгоритмы расчета не справляются с ней, алгоритм USPEX, основанный на эволюционном подходе, быстро находит нужный вариант.
Так, учеными первоначально с помощью метода USPEX в 2014 г. было теоретически предсказано наличие ранее неизвестного стабильного соединения бора и марганца – борида марганца с формулой MnB3. В дальнейшем наличие данного соединения было подтверждено экспериментально.
Ссылки на источники:
Ниже указаны ссылки на источники:
Примечание: © Фото https://www.pexels.com, https://pixabay.com