В феврале этого года начнется отборочный тур международной олимпиады по анализу данных IDAO. Задача первого тура будет посвящена предсказанию свойств двумерных кристаллов различных конфигураций. Чтобы разобраться, что же такое двумерные кристаллы и причем тут анализ данных, мы поговорили с Андреем Устюжаниным, председателем экспертной комиссии и заведующим лабораторией LAMBDA ФКН НИУ ВШЭ.
Развитие человечества непрерывно связано с поиском и разработкой новых материалов — недаром каждый новый век имеет свое название (каменный, железный и так далее). Сначала были обычные камни, которыми было удобнее отбиваться от хищников; потом произошло открытие огня — и люди начали учиться применять его к разным материалам. Так прошли тысячи лет, и сегодня, в XXI веке, уже сложно дать нашему времени какую-то однозначную характеристику (хотя некоторые, например, говорят, что сегодня век кремния). Пока неясно, какими материалами будет обозначено будущее — но есть мнение, что грядущий век станет веком двумерных материалов.
Двумерные кристаллы, или как они называются на английском, 2D materials — это плоские материалы, существующие в один слой. Еще со школы мы привыкли к формату объемных кристаллических решеток, но что, если от этой решётки оставить только одну плоскость? Тогда фактически кристалл превратится в пленку. Одним из самых известных материалов такого рода является графен, открытый Константином Новоселовым и Андреем Геймом в 2004 году.
Двумерные материалы примечательны тем, что электроны в них не могут «перескакивать» на соседние слои, как это происходит в обычных трехмерных материалах
Связи, по которым электроны могут переходить — это только их соседи, находящиеся по краям, на том же слое. Такое ограничение снижает подвижность электронов и, как следствие, существенно влияет на такие свойства кристаллов как электропроводность, оптические и каталитические свойства. Области применения двумерных кристаллов практически безграничны. Первыми на ум приходят электронные компоненты (внося небольшие изменения в структуру атомов таких материалов можно превращать диэлектрики в полупроводники), также двумерные материалы можно использовать в медицине, в построении фотооптических систем, в нефтегазовой промышленности.
Свойства
Наиболее всего двумерные кристаллы интересны своими необычными свойствами, определяющим практические характеристики вещества. Например, нам может быть важна скорость протекания определенной реакции и то, как двумерный материал будет на нее влиять: при очищении нефтепродуктов можно добавить в них определенные кристаллические пленки, и за счет большой площади они смогут серьезно повлиять на скорость реакций очистки.
В зависимости от задачи бывает важно уметь оценивать различные свойства кристаллов. Так, электродинамические свойства могут быть полезны при разработке аккумуляторов, термодинамические свойства — при разработке термоизоляционных материалов, механические свойства, такие как предел прочности при растяжении (то есть, насколько материал можно растянуть, не сломав), определяют долговечность двумерных кристаллов. Также обращают внимание, например, на магнитные свойства таких материалов и их токсичность (важно, если мы хотим применять в человеческом организме).
Забегая вперед, хочется отметить, что напрямую сказать, насколько скорость увеличится или уменьшится, мы пока не можем — это будет следующая по сложности задача. Также мы пока не можем сказать, какой должна быть конфигурация кристалла, чтобы скорость реакции возросла в несколько раз. Мы начинаем с решения задачи определения высоты потенциального барьера, который отделяет электроны одного атома от другого в зависимости от конфигурации кристалла.
Производство
Производством двумерных материалов занимаются специализированные центры, оборудованные приборами для создания особых условий роста и тестирования кристаллов. В нашей коллаборации ближе всего к производству кристаллов — институт функциональных интеллектуальных материалов в Сингапуре. Этот центр организовал Константин Новоселов — обладатель Нобелевской премии по физике, который является экспертом на нашей олимпиаде IDAO. Одна из сложностей производства заключается в огромном количестве возможных рецептов и предсказать какими свойствами будет обладать кристалл произведенный по конкретному рецепту заранее может быть очень непросто. В этом вопросе как раз и может помочь машинное обучение.
Использование машинного обучения
Теоретически существуют миллионы разных вариантов конфигураций двумерных кристаллов. Раньше наука говорила, что такого в принципе не может быть, а сегодня мы уже можем собирать сложные конфигурации, и у каждой решетки будут свои, неповторимые, физические и химические свойства.
Однако помимо базовой конфигурации кристалла — его строения атомной решетки, важно учитывать так называемые «дефекты» — единичные отклонения, вызываемые либо заменой одного из атомов аналогичным, либо «вакансией» — удалением соответствующего элемента решетки. Например, возьмем одно из самых популярных сегодня соединений среди двумерных материалов — дисульфид молибдена (MoS2). Такие кристаллические решетки принято моделировать в приближении небольшой ячейки NxN атомов. Размер этой ячейки определяется вычислительными возможностями и обычно включает обсчет нескольких сотен атомов и их электронных орбиталей. Для расчета свойств материала на основе свойств такой ячейки используются специальные численные методы и программные пакеты. Чем больше размер, тем больше вычислительных ресурсов потребуется. Было замечено, что при внесении точечных дефектов можно заметно повлиять на свойства материала. Но как изучать свойства разных однослойных кристаллических решеток, а также влияние дефектов, если для каждого вещества существуют миллионы различных вариантов? Стройной теории, которая могла бы предсказать свойства таких материалов нет, а вычисления или тем более изготовление экспериментальных образцов — очень дорогое удовольствие.