Запрещённая химия

«НЕВОЗМОЖНЫЕ» ВЕЩЕСТВА, АЗОТНЫЕ ЛЮДИ И ДРУГИЕ МИРЫ, ОТКРЫТЫЕ АРТЁМОМ ОГАНОВЫМ 25 Октябрь 2015, 13:56

Химия вступает в цифровую эпоху: новые вещества и явления теперь открывают не в пробирке, а в виртуальном мире с помощью искусственного интеллекта. Это не только оказалось быстрей и дешевле, но и привело к революционным открытиям. Об удивительных результатах своих исследований нам рассказал Артём Оганов — одна из главных мировых звёзд новой химии.


Он вернулся в Россию полгода назад.

— Решил провести эксперимент, — объясняет Артём своё возвращение, — попробую сделать, что смогу, для российской науки. Посмотрим, что получится.

Мы давно планировали большой разговор с Огановым, но в итоге встретились случайно — на природе, где-то под Костромой. К счастью, у него нашлось время на совместную прогулку. Мы брели то через поле, то по просёлочной дороге, но мало замечали окружающую действительность, воображая азотную жизнь в глубинах планет из сжиженных газов…

— У меня есть трое детей — вот моё главное достижение! И ещё то, что я смог реализовать и приумножить свои способности, — отвечает Артём на вопрос о своих достижениях в жизни. — А что касается моих занятий, я кристаллограф-теоретик, занимаюсь разработкой новых материалов. И созданием методов, которые позволяют открывать новые материалы. Вместе с сотрудниками я решил задачу, которую, как раньше считалось, решить невозможно — предсказание кристаллической структуры исходя из химического состава вещества. Эта задача равноценна поиску иголки в стоге сена размером со Вселенную — возможных вариантов расположения кристаллических структур в пространстве невероятно много. Но мы решили её и пошли гораздо дальше — научились с помощью компьютера предсказывать устойчивые химические соединения по набору исходных элементов.

— То есть вы вводите в программу набор химических элементов, задаёте какие-то параметры среды — температуру, давление, — и она пишет, какое получится вещество?

— Да, вводим мы, например, кальций, углерод и кислород, а программа генерирует формулу CaCO3 и выдаёт кристаллическую структуру этого вещества. Но мы уже пошли дальше — разрабатываем метод, который позволит прощупывать все возможные комбинации всех возможных элементов и находить ту, которая обладает нужными свойствами. У нас уже есть первая работающая версия такого метода.
Изображение: Shutterstock

Путешествие к центру Земли

Как получилось, что вы занялись решением этих задач?

К этому меня подтолкнуло другое важное открытие. Я начинал как кристаллограф-минералог, работал над структурами веществ, из которых состоят глубинные недра Земли и других планет. Мой первый значимый научный результат был связан с оценкой распределения температур в мантии Земли. А следующий результат, который оказался даже более важным, был связан с тем, что мне и моему коллеге из Японии, профессору Оно, удалось обнаружить новый минерал, который составляет примерно 80% объёма Земли на границах ядра и мантии. Это объяснило много загадочных явлений.

Расскажите подробнее…

Известно, что мантия Земли состоит по большей части из силикатов магния, а ядро из железа. Известно было и то, какие силикаты магния встречаются при разных давлениях и температурах — никаких сюрпризов от них никто не ожидал. Тем не менее многие геофизики ещё с 1950-х годов очень хорошо знали, что на границе ядра и мантии, на глубине почти в три тысячи километров, есть некий слой толщиной в среднем 200 километров, который обладает необычными, очень странными свойствами. Этот слой ведёт себя не как однородное вещество, а как слоистая среда, и совершенно непонятно почему. Силикаты магния, о которых тогда знали, совсем не слоистые, а обладают однородной во всех направлениях структурой. Этот слой очень неравномерный: в каких-то местах его нет вообще, в каких-то его толщина достигает 300 километров.

Получается, что над внешним жидким ядром Земли возвышаются своего рода подземные горы двухсоткилометровой высоты.

Откуда мы всё это знаем? Мы ведь пока даже земную кору, скорлупку яйца, на котором живём, не можем проковырять.

Да, в эпоху холодной войны СССР и США пытались друг друга «перетанцевать» в создании сверхглубокой скважины. Американцы добурились километров до пяти и сдались: денег не хватило. А мы в 1989 году достигли отметки в двенадцать с лишним километров, после чего экономика рухнула и дальнейшее бурение было остановлено.

Получилось что-то вроде Вавилонской башни, направленной вниз…

Недавно один американский учёный предложил любопытный проект, наполовину шуточный. Он придумал, как достичь ядра Земли. Нужно произвести на поверхности планеты ядерный взрыв и в образовавшиеся трещины залить расплавленное железо — для этого понадобится примерно треть железа, производимого в мире за год. И вместе с расплавленным металлом опустить зонд из тугоплавкого материала с разными датчиками — размером с футбольный мяч. Вроде бы есть вероятность, что железо будет пробивать себе дорогу вниз до самого ядра, а зонд — двигаться вместе с ним.

Но если оставить фантастику, источник наших знаний о том, что происходит на глубине в тысячи километров, — сейсмические волны. Загадочный слой, о котором мы говорили, отделён от остальной мантии довольно сильным сейсмическим разрывом. То есть скорости прохождения сейсмических волн там резко, скачком, меняются при пересечении границы между нормальной мантией и загадочным слоем.

И все эти аномалии никак не удавалось объяснить, пока мы с профессором Оно не обнаружили новый минерал с составом MgSiO3, получивший название пост-перовскит. Мы доказали, что структура этого минерала объясняет практически все те загадки, над решением которых люди бились десятилетиями. Это открытие было для геофизиков шоком. Люди прямо-таки с горящими глазами бегали по всему миру с конференции на конференцию и говорили кто шёпотом, а кто громко: «Ты слышал про пост-перовскит?»

Открытие новой кристаллической структуры фактически перевернуло целую область исследований. А после этого — аппетит приходит во время еды — мне захотелось создать метод, который позволял бы автоматически предсказывать устойчивые кристаллические структуры.
Фото: Сергей Ковалёв / Оганов на встрече со студентами и молодыми учёными в научном кафе Новосибирска.

Сила структуры

Я, к сожалению, не силён в химии. Объясните, пожалуйста, про кристаллическую структуру — ею вообще какие вещества обладают?

Подавляющее большинство веществ в твёрдом состоянии имеет кристаллическую структуру. Есть ещё аморфные материалы, или стёкла, и есть квазикристаллы — недавно открытое состояние вещества, уже из этого факта понятно, что оно встречается редко.

Кристаллические вещества — это материалы, которым присуща упорядоченная структура. Можно взять параллелепипед микроскопических размеров и повторить его во всех направлениях, по всем трём осям координат — и так воспроизвести полную трёхмерную структуру кристалла: она состоит из таких идентичных друг другу параллелепипедов. Металлы, керамика, глина, горные породы — почти все твёрдые вещества, что мы знаем и используем в технике, имеют кристаллическую структуру. Аморфных веществ в природе лишь доля процента: опал, вулканическое стекло — в общем, кот наплакал.

До вашего изобретения мы умели определять кристаллическую структуру вещества, но не умели её предсказывать, исходя из состава вещества?

Да, есть целый набор методов для расшифровки кристаллических структур, хотя это не всегда просто. Но предсказать её до недавнего времени считалось невозможным. А ведь это очень важно: зная структуру, можно предсказать свойства вещества, просчитать просто огромный список его свойств и понять, интересен ли этот материал для практического применения. Фактически все свойства вещества определяются его кристаллической структурой: тепло- и электропроводность, сверхпроводимость, термодинамические характеристики, определяющие устойчивость вещества, скорость прохождения через него звука.Почему графит мягкий и чёрный, а алмаз прозрачный и сверхтвёрдый? Потому что атомы углерода расположены по-разному, а именно структура обусловливает свойства вещества. Чем определяются биологические свойства белков? Пространственной структурой. Как ДНК переносит информацию? Благодаря своей структуре — двойной закрученной спирали. Таким образом, структура — это главный носитель информации в веществе.
Фото: OganovLab / Артём Оганов со своим аспирантом и соавтором научных статей Цяном Чжу.
Ваш метод предсказания — программа, которой может воспользоваться каждый специалист?

Да, её уже применяют тысячи людей. Программа доступна бесплатно для любого человека, работающего в фундаментальной науке, а компаниям мы предоставляем её за плату — среди наших клиентов Sony, Тоyota, Fujitsu. Программа называется USPEX. По-английски это аббревиатура: Universal Structure Predictor: Evolutionary Xtallography, но русским людям понятно, откуда тут ноги растут.

Изобретение этого метода тоже стало шоком для научного сообщества. Ко мне как-то приехал человек из Канады и сказал: «Я хочу посидеть с тобой возле монитора». «Зачем?» — спросил я. — «Ну, чтобы понять, как ты эту штуку делаешь и действительно ли ты можешь это делать». Я ему показал. Мы с ним запустили расчёт, на следующий день он увидел его результаты и выбежал от меня с такими глазами, будто ему горящего угля под майку насыпали.

То есть ваша статья вызвала настоящий ажиотаж.

Да, ведь раньше материалы с нужными свойствами люди открывали путём проб и ошибок, делались тысячи безуспешных попыток, прежде чем что-то удавалось найти. А теперь мы можем на порядок сократить время, требуемое для создания нужного материала.

Как это изменит мир?
Новые материалы — это всегда новые технологии или улучшение имеющихся. Например, быстродействие компьютеров сегодня упирается в поиск новых материалов. Расход энергии микропроцессоров резко усиливается с ростом производительности, и дальнейший рост приведёт к чудовищному перегреванию компьютеров — если не будут найдены новые материалы.

С помощью компьютерного моделирования будут разрабатываться и новые лекарства. Одно из них найдено в нашей лаборатории — препарат от рассеянного склероза. Конечно, нас ждут более прочные и лёгкие конструкционные материалы для самолётов и автомобилей. Возможно, скоро будет создан сверхпроводник, работающий при комнатной температуре. Сигнал, предупреждающий о подобном развитии событий, уже прозвучал. В конце 2014 года китайские учёные, применив мой метод, предсказали, что соединение серы и водорода под давлением будет иметь не привычную всем формулу H2S — сероводорода, которым пахнут тухлые яйца, — а H3S. Это вещество будет обладать очень высокой температурой сверхпроводимости — минус 73 градуса по Цельсию. А такая температура уже встречается на Земле. Через пару месяцев после того, как вышла эта статья, гипотеза была подтверждена экспериментально: российские учёные получили H3S с предсказанной температурой сверхпроводимости. Среди специалистов эта тема сейчас просто бомба, во всём мире изучают возможности нового сверхпроводника.

Он создаётся под высоким давлением и потом не распадается?

Распадается, но открытие показывает, что предел сверхпроводимости ещё не найден и вполне возможно, существуют материалы, которые будут проявлять это свойство при нормальном давлении и комнатной температуре. Таким образом, был дан импульс исследованиям в этой области — поиску неожиданных веществ, которые могут оказаться сверхпроводниками. Пока мы изучили на этот предмет лишь малую часть веществ, так что прорыв может произойти там, где его никто не ждёт.
Фото: OganovLab / Оганов на семинаре в лаборатории компьютерного дизайна материалов в МФТИ.


На радость двоечникам

А мне казалось, что в наш век господства биомедицины классические науки о материальном мире отошли на второй план и теоретическая химия в основном себя исчерпала…

Ну, это, конечно, заблуждение. Может быть, частично исчерпаны возможности классических экспериментальных методов, так называемой мокрой химии. Но у химии в целом гигантские перспективы — благодаря новым методам компьютерного анализа. Мы не понимаем ещё многих законов и правил. Вот почему H3S вдруг оказался сверхпроводником?

Наши теории пока очень размытые и неполные. Например, мы поняли, что при экстремальных условиях, таких как высокое давление, всё меняется самым драматическим образом и перед нами разворачивается необъятное поле новой химии. Не просто новой, а иногда даже запрещённой. Те, кто получал пятёрки в школе, помнят, что натрий относится к группе щелочных металлов. И вдруг мы обнаруживаем, что этот элемент, один из самых стереотипных металлов, при сжатии под давлением в два миллиона атмосфер перестаёт быть металлом вообще и становится прозрачным диэлектриком. Все его электроны оказываются зажаты в очень узкие области пространства. Мы это спрогнозировали, но нам никто не верил, пока не были получены экспериментальные доказательства.

Это ведь нарушает все традиционные понятия химии! Школьные двоечники должны возрадоваться. И подобные приятные сюрпризы их ждут на каждом шагу. Закоаны химии утверждают, что единственным возможным соединением натрия и хлора является NaCl, поваренная соль. Но под давлением, как оказалось, образуются соединения, увидев которые у вас в тетради любой учитель химии за голову бы схватился: Na3Cl, Na2Cl, Na3Cl2, даже NaCl7 — это просто какой-то триумф двоечников!

Тайна алмазной планеты

А где в природе встречается сверхвысокое давление?

На самом деле большая часть вещества во Вселенной находится под давлением. Посмотрите на Землю. Давления низкие, близкие к нулю, встречаются только у самой поверхности — где мы живём. А в центре оно достигает почти четырёх миллионов атмосфер. Но Земля не самая большая планета. На планетах покрупнее давление гораздо больше. В недрах Нептуна оно доходит до восьми миллионов атмосфер. Юпитера — кажется, до пятидесяти миллионов. Я уже не говорю про звёзды, где давление вообще колоссальное. Получается, классическая химия описывает лишь небольшой слой, близкий к поверхности Земли.

Как выглядит мир под высоким давлением?

Общей картины пока нет, только догадки. Понятно, что любое вещество под давлением рано или поздно превратится в металл. Даже наш натрий, утративший свою металлическую сущность, если сдавить его ещё сильнее, снова станет металлом. Даже водород в недрах Юпитера и Сатурна! Понятно, что под давлением более плотно упаковываются атомы. Химические связи ослабевают, но их количество увеличивается. Электроны становятся менее локализованными.
В коллаже использованы изображения Shutterstock
А Юпитер, он какой — жидкий?

Жидкий металлический шар из смеси водорода и гелия. Может быть, там есть небольшое твёрдое ядро — планетологи, насколько я понимаю, до сих пор точно не решили, есть там оно или нет. По логике вроде как должно быть, но твёрдых доказательств, основанных на измеряемых величинах, у них пока нет. Есть лишь разные модели — и с ядром, и без ядра, — которые объясняют известные нам характеристики этой планеты.

Сатурн, Уран и Нептун тоже жидкие и металлические?
Да. Ситуация с Ураном и Нептуном очень интересная. Это планеты-близнецы по многим характеристикам: размеру, массе, предполагаемому химическому составу, степени удалённости от Солнца. Они очень похожи. Но почему-то Нептун ярко-синий, а Уран зелёный. Может быть, между ними есть серьёзные различия — непонятно. Кроме того, от Нептуна исходит очень интенсивный тепловой поток. Эта планета выделяет во внешнюю среду в два с половиной раза больше тепла, чем получает от Солнца. А значит, у неё есть какой-то внутренний источник энергии. Считается, этот источник связан с разложением метана, которого на Нептуне очень много — примерно треть состава планеты. Метан в условиях высоких давления и температуры разлагается, образуя алмаз, который, будучи твёрдым и плотным, падает в центр этой жидкой планеты, формируя, вероятно, некое алмазное ядро. И в результате этого падения выделяется энергия. Гипотезу об алмазном ядре Нептуна высказал в 1981 году американский учёный Марвин Росс, а наша работа 2010 года дала довольно сильные аргументы в её пользу.
Недавно же алмазную экзопланету нашли, да?

Да, причём первые упоминания о ней появились через несколько месяцев после выхода нашей работы, так что сразу стал понятен возможный механизм образования алмазной планеты. Вероятно, это планета типа Нептуна, обладающая алмазным ядром и оболочкой из сжатых газов: воды, метана, аммиака. В какой-то момент она поменяла орбиту, приблизившись к своей звезде. И тепло звезды сдуло все эти легко испаряемые газы, обнажив алмазное ядро.
Изображение: Shutterstock
А в этом мире с высоким давлением возможны сложные структуры? Там могла бы возникнуть жизнь?

Этот вопрос напоминает мне о нашей недавней работе: мы обнаружили, что в системе азот — водород под давлением в 300–400 тысяч атмосфер, как в глубинах Урана и Нептуна, может возникнуть химия гораздо более сложная и разнообразная, чем химия углеводородов, на которой основана жизнь на поверхности Земли. Жидкая среда этих планет состоит на 56% из воды, на 33% из метана, а оставшиеся 10–11% — это аммиак. В таких условиях азот начинает образовывать сложнейшие полимерные цепочки, не только одномерные, но и двумерные. Кроме того, в отличие от нейтральных в устойчивом состоянии углеводородов, устойчивые азотоводороды могут нести заряд — это придаёт им дополнительную степень свободы и сложность по сравнению с углеводородами.

Кто знает, может быть, в глубинах этих планет существует другая форма жизни, построенная не на органической химии, а на неизвестной пока ещё, но явно не менее богатой азотистой. Может быть, там живут азотные люди. Они ходят на рыбалку и ловят азотных лещей на азотные удочки, строят дома из азотистых деревьев.... Мы этого всего не знаем, но то, что перед нами раскрывается новая, чрезвычайно богатая химия, — это несомненно.

Химия и жизнь

Как вы стали химиком? Наверное, любили похимичить?

Любил в детстве: очень много экспериментировал, и горело у меня много чего, чуть квартиру не сжёг. И ожоги — всё было. Но, несмотря на любовь к опытам, я решил стать теоретиком, потому что быть экспериментатором — это особый талант. А мои способности лежат скорее в области теории.

Вы сами программируете?

Я умею программировать, но не очень хорошо. Программированием занимаются ребята, которые со мной работают. У меня очень талантливая команда — собственно, всё, о чём я рассказываю, и было создано этими ребятами.

А в чём тогда состоит ваша работа?

В том, что я руковожу своими сотрудниками, генерирую идеи. Мы обсуждаем результаты, вместе решаем, куда двигаться дальше. До недавнего времени я ещё и сам делал что-то руками. Сейчас уже, к сожалению, времени совершенно не остаётся.

То есть в основном ваша работа складывается из разговоров с людьми?

На самом деле я разговоров скорее избегаю. Стараюсь по минимуму ходить на всякие встречи, отказываюсь от любых административных постов типа декана — мне это совершенно неинтересно. Мне нравится читать, думать, учиться и воспитывать учеников.

Я вас впервые увидел в Калининграде, где вы устраивали необычное кулинарное шоу с экспериментами и рассказами о научно обоснованных принципах здорового питания. Вы правда увлекаетесь кулинарией?
Не то что увлекаюсь — просто это одна из тех вещей, которыми приходится заниматься. А если ты что-то взялся делать, то прежде всего должен это полюбить. Если бы я был, не знаю, кочегаром, то уверяю вас: я бы любил своё дело. Я бы нашёл в нём столько плюсов, что стал бы лучшим кочегаром на свете. То же самое с кулинарией. Когда я уезжал из России, мне было двадцать три года, я не умел даже яичницу сделать — готовила всегда мама. Но за границей стало ясно, что аспирантская стипендия очень маленькая. Её еле-еле хватало на жизнь. Ни о каких кафе и речи не шло. Нужно было покупать продукты, считая копеечки, и самому готовить. Что ж, пришлось полюбить это дело. Научился готовить вкусно, потом — полезно.

Каковы ваши принципы здорового питания?

Многое я почерпнул у одного из своих кумиров — создателя кристаллохимии Лайнуса Полинга, дважды становившегося нобелевским лауреатом. Он прославился далеко не только научными открытиями и борьбой с ядерным оружием а ещё и здоровым питанием. Люди обычно вспоминают, что он принимал в больших количествах витамин С. Но у него всё было глубже. Для начала пять простых принципов здорового образа жизни. Первое — пить много воды. Второе — исключить сахар и сладости. Третье — минимизировать стресс. Четвёртое — не курить, в особенности сигареты. И пятое — исключить непривычно большие физические нагрузки.

Что касается здоровой еды, то мои рекомендации просты: важно питаться сбалансированно и помнить о жизненно важных для нашего организма компонентах, которые мы обычно недобираем. Взять, например, калий. Чтобы он поступал в нужных количествах, надо съедать хотя бы один банан в день. Далее магний. Для этого можно есть салаты, но, скорее всего, столько, сколько нужно, вы всё равно не получите, поэтому надо принимать магний в таблетках. Наконец, витамины. Чтобы получать витамин А, требуется съедать хотя бы одну морковку в день. Витамин С следует добавлять в рацион в виде таблеток. Витамин D синтезируется в коже на солнце, а если вы мало бываете на воздухе и зимой его тоже необходимо принимать в виде добавок.

Чем вы ещё любите заниматься?

Я очень люблю читать исторические книги, ездить в разные страны, особенно в те, которые не заезжены туристами. Скажем, меня совершенно не тянет в Париж, на Мальдивы или в Голливуд. Зато я очень люблю ездить, например, на Кавказ, в Китай. Вот сейчас мы с вами гуляем неподалеку от Костромы. Город явно не избалован вниманием туристов, и я практически уверен, что вернусь сюда. Какие-то такие тихие красивые места я очень люблю.
                                                                                                                                                   АНДРЕЙ КОНСТАНТИНОВ