Меняя законы химии: как учёные создают новые материалы? - Артём Оганов - Наука в фокусе - 2014-08-10
Н. АСАДОВА: Добрый день. У микрофона Наргиз Асадова и мой постоянный соведущий Егор Быковский, главный редактор журнала "Наука в фокусе". Привет.
Е. БЫКОВСКИЙ: Доброго всем воскресенья. Привет, Наргиз.
Н. АСАДОВА: Да. Сегодня говорим на очень интересную тему - "Меняя законы химии: как учёные создают новые материалы?". Представляю нашего гостя. Это Артём Оганов, профессор Университета штата Нью-Йорка, даже профессор Сианьского университета, что находится в Китае и заведующий лабораторией Московского физико-технического института, доктор наук. Здравствуйте.
А. ОГАНОВ: Здравствуйте.
Н. АСАДОВА: Из того, что я успела про вас узнать до передачи, вы придумали один из способов узнать структуру твёрдых материалов.
А. ОГАНОВ: Да, на самом деле несколько даже таких способов придумал. Ещё до недавнего времени считалось, что эта задача совершенно неразрешимая. Но мне и ребятам, моим студентам и постдокам, аспирантам удалось несколько таких методов даже изобрести.
Н. АСАДОВА: Чтобы сразу заинтриговать нашу аудиторию, скажите, что это нам даёт. Что даёт нам возможность предсказывать структуру твёрдых материалов?
Е. БЫКОВСКИЙ: Сразу быка за рога.
Н. АСАДОВА: В двух словах, чтобы заинтриговать.
А. ОГАНОВ: Это даёт возможнось изобретать новые материалы, не отходя от компьютера. То есть теперь не требуется в лаборатории методом проб и ошибок пытаться делать новые материалы. Теперь можно на компьютере предсказать, какое вещество будет или не будет интересным. И если вы находите что-то реально интересное на компьютере, потом уже у вас есть практически гарантия, что вы это сможете достичь в эксперименте.
Е. БЫКОВСКИЙ: То есть, другими словами, перебрать миллионы материалов, отобрать десяток подходящих и с ними уже проводить натурные эксперименты.
А. ОГАНОВ: Да.
Н. АСАДОВА: Давайте послушаем, как это происходит на практике в нашей постоянной рубрике "Новости с Мариной Максимовой".
НОВОСТИ НАУКИ
М. МАКСИМОВА: Трансформировать крахмал риса в устойчивый оптически прозрачный биоразлагаемый пластик, который отличается высокой прочностью и термической устойчивостью, смогли исследователи из Финляндии. Подобная работа является шагом по направлению к получению биопластиков из простых и возобновляемых природных источников. Такие полимеры могут найти применение в изготовлении упаковки для продуктов питании, а также биомедицины.
При этом понижение объёмов производства неразлагаемых полимеров может в значительной степени понизить нагрузку на окружающую среду. Крахмал же представляет собой полисахарид. Для большинства зелёных растений крахмал является резервным и энергетическим полигликаном и в значительных количествах накапливается в зёрнах, таких как кукуруза, пшеница или рис. Или в клубнях, например, в картофеле.
Биопластики с широким набором механических свойств удалось получить итальянским исследователям. При этом материалы были получены из отходов пищевых производств, полученных при переработке как злаковых, так и овощных культур.
Большинство синтетических полимеров и пластических масс представляют собой определённую проблему для окружающей среды. Их получают из нефтехимического сырья, из-за чего они не могут разлагаться в условиях живой природы. В ряде случаев при их изготовлении необходимо использовать токсические вещества, например, фталаты или бисфенол А.
Учёные из Итальянского технологического института решили найти способ получения пластиков из биомассы таким образом, чтобы полученные материалы были рециклизируемы, биоразлагаемы, и, насколько это возможно, нетоксичны. В качестве потенциального сырья для таких полимеров рассматривалась целлюлоза, которая представляет собой наиболее распространённый в природе возобновляемый полимерный материал.
Исследователи отличают, что полимеры, полученные из растительного сырья, начинают термически разлагаться при температуре от 150 до 300 градусов. Известно, что большинство синтетических полимеров разлагаются при этих же условиях.
Н. АСАДОВА: Это были новости науки с Мариной Максимовой. Мы уже поняли из этого материала, что мы даже из каких-то мусорных отходов можем делать пластики. И это всё, в частности, благодаря тому, что мы научились предсказывать методом проб и ошибок, десятилетиями перебирать, что же мы можем получить.
А. ОГАНОВ: Я думаю, к пластику моя деятельность пока не имеет никакого отношения. И то, что мы слышали про переработку пластика, это всё же из другой оперы. Тут две вещи приходят в голову. Во-первых, то, что сейчас в нашей области, вот мы сейчас уже начали заниматься предсказаниями новых полимерных веществ, то есть это уже тоже возможно. Полимеры с особыми свойствами, например, проводящие полимеры и так далее.
И у нас сейчас выходит статья в журнале Nature communications как раз на эту тему, о двух новых полимерных материалах, которые мы придумали с коллегами. И другие наши коллеги уже их даже синтезировали. После того как они были предсказаны на компьютере.
И вторая информация, которая вспоминается - это то, что когда ещё я был ребёнком, лет 30 назад я читал в научно-популярном журнале, что японские технологи научились делать чёрную икру из канализационного ила. Но с тех пор эта чёрная икра почему-то не появилась на прилавках. Видимо, никому неохота её покупать.
Н. АСАДОВА: Сейчас у нас не будут завозить никаких моллюсков, глядишь - и из чёрного ила будем есть. Извините, я политизирую.
А. ОГАНОВ: Вообще-то икру мы экспортируем, а не импортируем.
Н. АСАДОВА: Зато всяких моллюсков, креветки, мидии и всякое прочее.
А. ОГАНОВ: Хотя я думаю, что с икрой японцы могут вернуться к своей технологии времён моего детства.
Е. БЫКОВСКИЙ: Тогда не покупали. Думаю, и сейчас не найдётся много охотников. Скажите, Артём, давайте вернёмся к нашей теме от мидий с икрой. Я понимаю, что сейчас это всех очень волнует. Какие есть точки напряжения в материаловедении, которые требуют немедленных изысканий? Например, я знаю, в термоэлектрике сейчас такая точка. И там есть собственные проблемы, потому что электричество проводят металлы, но они при этом проводят тепло. Поэтому надо придать им какую-то вторую личность.
А чем вы занимаетесь? Чем вызван интерес в вашей сфере?
А. ОГАНОВ: Термоэлектрикой я тоже занимаюсь. Как раз у нас только что вышла статья на тему, связанную с термоэлектричеством в одном из журналов группы Nature - Scientific reports. И сейчас мы расширяем наш метод, уже фактически это сделано. Мы сейчас опробуем наш уже сделанный метод на разного рода термоэлектрических системах для предсказания термоэлектриков с высоким значением figure of merit, не знаю, как это на русский перевести, фигуру качества, цифру качества, показатель качества.
Е. БЫКОВСКИЙ: Показатель качества.
Н. АСАДОВА: Вы знаете, это очень хорошо, но я думаю, что наши слушатели не понимают даже на самом деле базовых каких-то основ.
А. ОГАНОВ: Хорошо, я постараюсь объяснить. Точки напряжения. Во-первых, старая точка напряжения, которая ничуть не стала менее актуальной - это поиск сверхпроводников при комнатнтой температуры, веществ, которые были бы сверхпроводниками при комнатной температуре.
Е. БЫКОВСКИЙ: Наргиз хочет спросить: а зачем они нужны?
А. ОГАНОВ: Зачем они нужны?
Н. АСАДОВА: Понятно, что передавать энергию.
А. ОГАНОВ: Экономия электроэнергии будет колоссальная и экономия средств тоже. Это первое.
Второе. Материалы для аккумуляторов электроэнергии. Это могут быть либо классические аккумуляторы химического типа - литиевые, или, может быть, магниевые, люди серьёзно занимаются возможностью создания магниевых вместо литиевых аккумуляторов. Магниевые имеют то преимущество, что у них заряд больше. Но есть, правда, недостатки у магниевых.
Е. БЫКОВСКИЙ: Точка напряжения с чем связана? С редкоземельными элементами, которых мало, или...
А. ОГАНОВ: Это связано с тем, что... представяьте себе, как работает электростанция. Электростанция работает день и ночь. Она вырабатывает одинаковое количество энергии и днём, и ночью. Если, конечно, это не солнечная электростанция.
Е. БЫКОВСКИЙ: Надо её запасти.
А. ОГАНОВ: Её надо запасти, потому что ночью она пропадает. Ночью её некому тратить. И это опять-таки будет гигантская экономия.
Один вариант - это аккумуляторы химического типа. А второй тип - это суперконденсаторы. Сейчас тоже огромные усилия прикладываются к тому, чтобы найти конденсаторы, которые могли бы запасать гораздо больше электроэнергии, чем уже существующие.
Н. АСАДОВА: А зачем это нужно?
А. ОГАНОВ: То же самое. Запасать электроэнергию ночью.
Н. АСАДОВА: Где мы используем сейчас?
А. ОГАНОВ: Всюду. Как я уже сказал, если вы представляете себе, как работает электростанция, она производит электричество день и ночь, день и ночь. Но днём это используется более-менее полностью, а ночью пропадает.
Е. БЫКОВСКИЙ: Что далеко ходить? Можно поставить фотоэлементы себе на крышу, днём производить электричество, а ночью его тратить. Надо где-то его запасти без потерь желательно.
А. ОГАНОВ: Абсолютно, да. Потом, автомобили. Если вы можете запасти компактно большое количество электроэнергии, то вы можете отказаться от бензина.
Н. АСАДОВА: Электромобили уже существуют.
Е. БЫКОВСКИЙ: Аккумуляторы тоже существуют, но существуют некоторые проблемы.
А. ОГАНОВ: Да, они служат не очень долго. И электричества не очень много они вообще-то удерживают. Нужно, чтобы была ёмкость чуть-чуть побольше и нужно, чтобы они служили чуть-чуть подольше.
И на это требуются большие усилия и прикладываются большие усилия, чтобы эту проблему решить.
Термоэлектричество - это ещё довольно большая задача. Хотя сейчас в этом отношении есть некий пессимизм, но всё-таки определённую нишу термоэлектрики совершенно точно займут, большую нишу. Преобразование тепла в электроэнергию. То есть представьте себе, ваша машина разогревается, большое количество тепла рассеивается в окружающую среду совершенно бездарно. Эту теплоту вы можете преобразовать в электричество, которое вы же потом будете использовать.
Н. АСАДОВА: Помимо электроэнергетики, про которую мы сейчас говорим, новые материалы можно использовать вообще много где. И этой теме посвящена следующая наша рубрика - "Статья по теме" с Львом Гулько. Напоминаю, что статья по теме у нас берётся из журнала "Наука в фокусе". И на этот раз вы узнаете, как из простой соли можно получить совершенно разные неожиданные химические соединения.
"СТАТЬЯ ПО ТЕМЕ"
Л. ГУЛЬКО: Принято считать, что NaCl - единственное вещество, которое может быть создано из натрия и хлора. Известно, что химические соединения предпочитают формироваться с помощью самых сильных химических связей. Атом натрия в составе молекулы соли легко может отдать внешний электрон, образуя ион с положительным зарядом), в то время как хлор, наоборот, имеет свободное место для одного электрона. Поэтому натрий радостно отдает электрон, а хлор его забирает. В результате возникает в целом нейтральная химически стабильная молекула. Это означает, что она не склонна распадаться на первоначальные элементы или превращаться в иную молекулу. По крайней мере, так думали до сих пор.
В прошлом году ученые из Китая, России и США поместили крохотные кристаллы соли под гигантское давление — под нагрузку, которая на порядок превосходит давление на дне океана. То, что в результате обнаружилось, стало полной неожиданностью: вещество начало образовывать так называемые запрещенные молекулы, которые, как думали экспериментаторы, не могут существовать в принципе. «Это исследование изменит наши способы изучения и применения химии», — убежден Артём Оганов, профессор университета штата Нью-Йорк и МГУ им. М.В. Ломоносова, ведущий автор этой работы.
При помещении соли под давление примерно 20 гигапаскалей (в 200 тыс. раз больше атмосферного) вместе с небольшим количеством дополнительных атомов натрия и хлора Оганов и его коллеги получили такие небывалые молекулы, как NaCl3 и Na3Cl.
Эти соединения нарушают традиционное правило электронейтральности и, как может показаться, имеют заряды -2 и +2 соответственно. Это происходит потому, что большинство этих новых соединений имеют металлическую электронную проводимость. А для металлов правило электронейтральности не действует.
"Наша работа свидетельствует в пользу существования нового класса соединений, ранее незамеченных химиками", - говорит Оганов. Очевидны соединения, которые будут существовать при обычном атмосферном давлении.
Н. АСАДОВА: Это была статья по теме с Львом Гулько. Я так понимаю, что вот эти удивительные соединения NaCl, где валентность, казалось бы, совершенно другая, не такая, как мы привыкли её видеть в учебниках химии. И ваша группа предсказала их.
А. ОГАНОВ: Это было одно из самых больших открытий моей группы. Существование таких материалов с таким необычным химическим составом, как Na3Cl, Na2Cl, Na3Cl2, NaCl3, Na3Cl7, было предсказано моей сотрудницей и мной. Собственно, предсказание было моё, потом моя сотрудница это предсказание довела до логического конца, расставив все точки над i, и после этого мы обратились к экспериментаторам, которые смогли достичь этих условий в своих лабораторных условиях и доказали, что действительно наше предсказание абсолютно верно.
Такого рода людей не так много на Земле. Особо сложного оборудования тут на самом деле нет. Есть так называемые ячейки с алмазными наковальнями. Это фактически два крошечных алмаза, между которыми сжат образец размером порядка 10 микронов, вот и всё. И потом это исследуется с помощью рамоновской спектроскопии и в особенности синхротронного рентгеновского излучения.
Синхротронных центров на Земле достаточно много. Есть даже какие-то, пусть не очень продвинутые, есть и у нас. Есть в Японии, Америке, Европе и так далее, и тому подобное.
Но тут самое большое ограничение - это ловкость самого экспериентатора. Потому что если вы так представите себе, что образец диаметром 10 микрон нужно засунуть в луночку, в маленькую дырочку диаметром 40 микрон и туда ещё положить несколько веществ для передачи давления, для измерения давления и т.д. и т.п., мне кажется, таких людей надо в цирке показывать.
Н. АСАДОВА: Это Левша примерно.
А. ОГАНОВ: Это какая-то невероятная ловкость рук, люди говорят, что когда они делают такого рода эксперименты, они утром не пьют кофе, не пьют чай, потому что иначе будет микроскопическое дрожание рук и они промахнутся.
Н. АСАДОВА: Медитацией занимаются.
Е. БЫКОВСКИЙ: Это получается круче, чем Левша, потому что он блоху подковал, но танцевать она перестала. Надо, чтоб танцевала.
Н. АСАДОВА: Следующие эксперименты у него получились.
А. ОГАНОВ: Поэтому тут такие категории, что должна быть какая-то удача у экспериментатора, должна быть какая-то ловкость и какая-то привычка оперировать такого рода оборудованием и такого рода экстремальными условиями, что вот эти алмазы нужно сдавить достаточно сильно, чтобы они ещё не треснули. У обычных людей они ломаются. А вот у этих суперлюдей, которых...
Я к алмазам не имею никакого отношения, я их даже не вижу. Мы на компьютере всё делаем, у нас ничего не ломается.
Н. АСАДОВА: Скажите, пожалуйста. Как мы поняли, что одни из этих соединений, вами предсказанных, потом полученных экспериментальным путём, оказались сверхпроводниками? Какие свойства у этих соединений необычных?
А. ОГАНОВ: Сверхпроводниками они не являются. Мы проверяли. Потому что там были намёки, что сверхпроводящими они могут быть. Некоторые из них имеют такую же структуру, как известные сверхпроводники.
Но сверхпроводимости в этих соединениях не оказалось. Но оказалось много другого интересного. Например, соединение Na3Cl является двумерным металлом, так же как и высокотемпературные сверхпроводники. Они тоже двумерные металлы.
Е. БЫКОВСКИЙ: Поясните, пожалуйста.
А. ОГАНОВ: Это значит, что в вашем веществе есть плоскости, параллельные друг другу, вдоль которых электрический ток будет проходить. А между этими плоскостями есть слои, которые ток не проводят. То есть ток, если вы представите себе три координатные оси - x,y и z, в плоскости x и y ток идёт, а вдоль оси z - нет.
Н. АСАДОВА: То есть получается, как графен. Что-то похожее.
А. ОГАНОВ: Типа того.
Н. АСАДОВА: Подождите, мы делали как-то передачу недавно, что на смену кремния, может быть, придёт графен. И это, естественно, в компьютерной промышленности очень актуально. А получается, что у графена появился возможный конкурент. Это тот самый материал, который вы открыли.
А. ОГАНОВ: У графена много конкурентов. Этот материал графену конкуренции не составит, потому что он существует только при высоких давлениях. Графену может составить конкуренцию, например, двумерный бор, предсказанный нами недавно. Ряд других материалов, в основном гипотетических, тоже могут составить конкуренцию.
Н. АСАДОВА: Которые могут существовать при нормальных условиях.
А. ОГАНОВ: Да. И, кстати, двумерный бор, который мы предсказали, вроде бы как получен экспериментаторами, у нас сейчас идёт интенсивная переписка с американскими экспериментаторами, которые утверждают, что они видели ту самую структуру, что мы предсказали, двумерный бор, и действительна она обладает электронной структурой, похожей на графен, но более интересный вариант.
Е. БЫКОВСКИЙ: Каков алгоритм? Кто заказывает музыку? Откуда взялась идея двумерного бора? От вас или, наоборот, от заказчика?
А. ОГАНОВ: Мы просто игрались с двумерным бором. Вы знаете, в науке очень важно чувствовать себя постоянно ребёнком, который играет в кубики, складывает что-то, ломает что-то. NaCl - это мы ломали. Я решил поломать законы химии, просто ради интереса. Потому что идея была очень простая, опять же, вполне ребяческая, но это идея, которая у меня была ещё в школьные годы. Представьте себе структуру NaCl. Вы знаете точно, что Na может иметь заряд +1, Cl только -1, поэтому комбинация может быть только 1:1.
Но представьте себе структуру, вы рисуете её на листочке бумажки, убирайте какой-нибудь атом Cl и заменяете его на атом Na. У вас мгновенно меняется состав в неправильную сторону, мгновенно вся вот эта картинка ломается, и вы скажете - это невозможно. Что значит невозможно? Но вы можете взять эту структуру, вы можете её заложить в компьютер и посчитать энергию. Вы можете понять, насколько энергетически она невыгодна. И это будет небесконечное число, это будет какое-то конечное число. То есть я это называю не жёстко невозможно, а мягко невозможно. Есть конечный штраф за неправильность.
Если мы будем менять внешние условия среды, то вот этот конечный штраф за неправильность этой структуры можно уменьшить, а можн даже его повернуть в другую структуру, что такая структура станет энергетически выгодной.
И я решил это попробовать. Я провёл первые расчёты, и сразу стало понятно, что это действительно так. В результате мы пришли к этой идее. Мы просто игрались. Точно так же играли с бором.
Н. АСАДОВА: Вы просчитываете разные возможности, как поиграться с таким соединением, с таким соединением. А каким образом и кто решает, под воздействием каких внешних факторов можно достичь того самого NaCl3, который вы предсказали, что надо туда экстремальное давление применить, или, может быть, его надо нагреть. Что надо сделать с известным нам соединением, чтобы оно стало неизвестным?
А. ОГАНОВ: В каждом случае это по-разному. В случае NaCl мы смотрели именно на давление.
Н. АСАДОВА: А почему вы так решили именно на давление смотреть?
А. ОГАНОВ: Потому что температура в данном случае не будет иметь никакого решающего воздействия. Можно просто прикинуть, что к тому моменту, когда NaCl развалится, температурная составляющая свободной энергии будет достаточно маленьким, и она ничего реально не сделает. Давить же вещество можно до бесконечности и можно этот вклад давления в свободу энергии сделать сколь угодно большим. Поэтому наиболее интересная химия появляется благодаря как раз давлению, а не благодаря температуре.
В принципе можно найти очень интересную химию, я в этом убеждён, если прикладывать вместо давления сверхсильные электрические и магнитные поля. Я уверен, что можно найти очень-очень интересную химию, которая вообще с ног на голову перевернёт учебники химии.
Н. АСАДОВА: Вы пробовали уже?
А. ОГАНОВ: Не пробовал. Потому что, во-первых, экспериментально непросто такие поля создавать, ну а, во-вторых, очень уж расчёты неоднозначные и не всегда возможные в этой области.
Н. АСАДОВА: Я ещё слышала, что как-то вы в одной из своих лекций говорили, что вы как-то доказали, что самый прочный материал на свете - это алмаз, и точка.
А. ОГАНОВ: Да, алмаз по нашим расчётам является самым твёрдым.
Е. БЫКОВСКИЙ: Твёрдость и прочность - это не одно и то же.
А. ОГАНОВ: Да. Наш вывод был такой, что самый твёрдый из всех возможных материалов - это алмаз. Оговорюсь, что мы смотрели не на все возможности, какие только естЬ, а на те возможности, которые наиболее часто обсуждались в литературе, а именно: разные формы самого углерода, все возможные нитриды углерода, все возможные соединения углерода и бора. Мы на этих системах сосредоточились. И во всех этих системах самым твёрдым веществом всегда оказывается именно алмаз.
Н. АСАДОВА: Это просчитывается математически.
А. ОГАНОВ: Да. Если говорить по-честному, это вопрос закрывает. Но всё же есть один маленький шанс, одна маленькая лазейка, что какие-то неожиданные вещества по какой-то непонятной нам причине вдруг вылезут и окажутся самыми твёрдыми. Шансов на это я практически не вижу никаких. Но мы сейчас планируем крупномасштабное исследование, которое может даже эти шансы проверить.
Н. АСАДОВА: Я напоминаю, что в эфире передачи "Наука в фокусе" говорим мы сегодня про "Новые законы химии: как учёные создают новые материалы?". И у нас в гостях Артём Оганов, профессор Университета штата Нью-Йорка, профессор Сианьского университета и заведующий лабораторией Московского физико-технического института. Мы сейчас прервёмся на рекламу и новости, а затем вернёмся в эту студию. Никуда не уходите.
НОВОСТИ
Н. АСАДОВА: Добрый день ещё раз всем. У микрофона по-прежнему Наргиз Асадова и Егор Быковский, главный редактор журнала "Наука в фокусе". Сегодня мы говорим про новые законы химии, о том, как учёные создают новые материалы. И у нас сегодня в гостях Артём Оганов, профессор Университета штата Нью-Йорк, Сианьского университета и заведующий лабораторией Московского физико-технического института.
Артём, мы говорили про неорганическую химии всё это время. То есть как мы создаём новые материалы из соединений неких химических.
А что касается белков, здесь мы можем из них какие-то новые материалы создавать? Они же всё-таки живые, их нельзя таким экстремальным давлениям подвергать или бесконечно нагревать их.
Е. БЫКОВСКИЙ: Белки, во-первых, сами по себе всё-таки неживые.
Н. АСАДОВА: Это органическая химия, в отличие от...
А. ОГАНОВ: Можно, можно. Мы сейчас начинаем работать с белками, это была моя мечта в течение долгого времени, и даже своего рода кошмар, потому что это мечта, которая очень трудновыполнима, и считается, что предсказывать структуру белков, может быть, даже и невозможно.
Н. АСАДОВА: А почему такое убеждение?
А. ОГАНОВ: Очень сложная структура, очень много атомов, огромная степень сложности. И эта степень сложности математически приводит к некой численной катастрофе. Чем больше у вас степеней свободы, чем больше у вас атомов в системе, тем экспоненциально сложнее задача предсказания структуры.
Е. БЫКОВСКИЙ: Просто не хватает вычислительной мощности пока?
А. ОГАНОВ: Всё гораздо хуже. На самом деле, может быть, никогда её не будет хватать, потому что представьте себе, что значит экспонента? Что добавляя одну степень свободы, добавляя один атом, вы не на одну сотую процента увеличиваете сложность, а в 100 000 раз. И каждый новый атом усложнит эту задачу, может быть, в 100 000 раз. То есть если вы даже можете предсказывать структуру с парой сотен атомов, 201 атом может уже оказаться слишком много для вас.
Е. БЫКОВСКИЙ: Сейчас мы с вами плавно перейдём к теории сингулярности.
А. ОГАНОВ: То есть эта задача очень непростая, и люди достаточно пессимистично на возможность решения этой задачи смотрят. Я оптимист. Я думаю, что мы справимся. И первые результаты, которые у нас естЬ, как я сказал, мы совсем недавно начали пробовать свои силы на белках, первые результаты достаточно хорошие. Но нам ещё предстоит много чего.
Н. АСАДОВА: А сколько вы сейчас можете предсказывать?
А. ОГАНОВ: Мы можем делать достаточно уверенно порядка 40 аминокислотных остатков, то есть речь идёт о нескольких сотнях атомов, может быть, 800 атомов. Это уже неплохо. Но я думаю, что если мы с вами поговорим через год, может быть, через два, то мы сможем раз в 5 больше делать. А этого уже будет достаточно.
Н. АСАДОВА: Вы нашли новую форму какую-то или мощность компьютера?
Е. БЫКОВСКИЙ: Вы же только что сказали, что это практически невозможно. И вдруг так резко повысили прогноз.
Н. АСАДОВА: Вы объяснили, почему это невозможно.
А. ОГАНОВ: Есть несколько факторов. Во-первых, некая интуиция, прсото предчувствие, знаете, когда вы долго работаете на руднике, бьёте своей кувалдой камень, вы знаете, когда он треснет и где он треснет. Вы это чувствуете.
Е. БЫКОВСКИЙ: И тут вдруг жила пошла.
А. ОГАНОВ: Вы это чувствуете. Как вы чувствуете, это трудно объяснить. Но я чувствую, знаете, как акула чувствует запах крови издалека, я чувствую, что год или два нам потребуется, и камень треснет, и будет золотая жила.
Н. АСАДОВА: А за счёт чего?
А. ОГАНОВ: За счёт не знаю чего. Чутьё у меня есть.
Н. АСАДОВА: Нет, подождите, вы не меняли никак формулу. Мощности компьютера остались те же.
А. ОГАНОВ: Мы разрабатываем метод. Мы работаем над этим. Это же не просто мы сидим и ждём два года. Мы работаем. Я чувствую, что мы на правильном пути, я чувствую, что золотая жила всё более и более приобретает очертания. 40 аминокислотных остатков - это уже очень неплохо.
Н. АСАДОВА: Что нам даст предсказание строения белков?
А. ОГАНОВ: Это даст нам возможность, во-первых, убыстрить процесс расшифровки белковых структур. Даже сейчас со всей нашей техникой это занимает долгое время, начиная с кристаллизации белка и кончая расшифровкой его трёхмерного строения.Это непростая задача.
Н. АСАДОВА: А зачем в практике это нужно, в повседневной жизни?
А. ОГАНОВ: Сейчас скажу. Во-первых, помимо структуры белка, которая является наиболее выгодной, очень важно понять несколько других относительно выгодных конформаций. Зачем это нужно? Потому что пространственное строение белка определяет его функции. Белки являются умными материалами нашего организма. Есть жиры, углеводы. Они не умные. Они обычные. А белки со всей их вариативностью, со всей их химической вариативностью, со всей вариативностью их пространственного строения могут менять, подстраивать свои функции. И именно это создаёт всю сложность и всю адаптивность живых организмов.
И предсказывать - это очень важно, очень интересно. Например, неправильное сворачивание белка приводит к болезни Альцгеймера. Если мы сможем немножко лучше понять пространственное строение белка, почему он сворачивается, как предотвратить это и так далее, может быть, мы сможем найти какие-то ключики, или по крайней мере лучше понять болезнь.
Е. БЫКОВСКИЙ: Давайте на секунду вернёмся к чисто практическому вопросу: как происходит нахождение материалов, которые смогут жить в привычной для нас среде? Статья, которую сейчас пересказывали только что в эфире, называется "Под давлением". Понятно, почему мы сейчас про это говорили. Берёте две наковальни, сжимаете что-то. Но то, что образуется - это будет жить только под давлением? Газ нагрели - получилась плазма. Потом сняли температуру - плазма опять сделалась газом. Откуда вы знаете, что то, что вы получили под давлением, потом можно будет применить в обычной жизни? Как вообще это происходит?
А. ОГАНОВ: Тут раз на раз не приходится. Некоторые вещества, полученные при высоких давлениях, при снятии давления выживают, а некоторые разваливаются.
Е. БЫКОВСКИЙ: И вы можете предсказать, что выживет, а что развалится?
А. ОГАНОВ: Можем.
Е. БЫКОВСКИЙ: Не только свойства, но и выживаемость7
А. ОГАНОВ: Можем. Например, вещество, которое при снятии давления выживает - это алмаз. Алмаз ведь синтезируется при высоких давлениях. Но вы снимаете давление, и он вполне долго существует, бесконечно долго, можно сказать. Или сколь угодно долго. Такие вещи мы предсказывать можем. Это вполне делается.
Но дело в том, что мы занимаемся не только высокими давлениями. Мы занимаемся материалами при обычных давлениях, функциональными материалами для тех или иных приложений. Приведу пример. Сейчас у нас есть очень интересный проект - поиск сильных постоянных магнитов.
Это очень важно, например, для ветроэлектростанций, приливных электростанций. Дело в том, что...
Н. АСАДОВА: Можем быть, для адронного коллайдера. Там сильные магниты используются.
А. ОГАНОВ: Там, я думаю, скорее всего используются сверхпроводящие катушки. Скорее всего магнитные поля там производятся так. Поэтому там это не нужно. Но для электростанций нужны именно сильные постоянные магниты. И сейчас технологическая проблема, можно сказать, даже экономическая, что все сильные постоянные магниты основаны на редких землях. А редкие земли резко дорожают из-за монополии Китая, между прочим. Китай монополизировал все мировые ресурсы редких земель.
Е. БЫКОВСКИЙ: Почти все. Процентов 95, я бы так сказал.
А. ОГАНОВ: 97. И перерабатывающие заводы тоже, кстати, монополизировал тоже в пропорции. Поэтому они фактически назначают любую цену, и все должны платить.
Сейчас проводятся большие изыскания материалов, которые были бы постоянными сильными магнитами, не содержа при этом редких земель. Важная интересная задача, не имеющая к давлению никакого отношения.
Н. АСАДОВА: А за счёт чего, если не за счёт давления?
А. ОГАНОВ: Давление тут вообще ни при чём. Магнитные свойства обеспечиваются переходным металлом, который является носителем магнитного момента. А магнитная жёсткость обеспечиваается присутствием тяжелого металла. Это именно та самая роль, которую играют редкие земли. Они тяжёлые. В них очень сильны релятивистские эффекты, связанные с теорией относительности, которая как раз и фиксирует направление магнитного момента в пространстве. Это очень важно.
Если вместо редких земель использовать другие тяжёлые элементы, то можно добиться того же эффекта. Но при этом нужно обладать некой удачливостью. До сих пор людям не очень везло. Но есть подозрения...
Е. БЫКОВСКИЙ: Я бы не сказал: мы живы.
А. ОГАНОВ: Я имею в виду, что не очень везло в поиске магнитного материала, не содержащего редкие земли. То есть до сих пор как-то такого хорошего материала не нашли. До сих пор все хорошие магниты основаны на редких землях.
Но нам, кажется, повезло. Мы, кажется, нашли такого рода материал. Сейчас мы это испытываем.
Н. АСАДОВА: Теперь китайцам осталось монополизировать вас. Собственно, поскольку вы профессор китайского университета.
А. ОГАНОВ: Я очень люблю Китай, очень люблю китайцев. Вообще я очень люблю всех и все страны. Поэтому...
Н. АСАДОВА: Как настоящий учёный.
А. ОГАНОВ: В эти политические я не играю, но задача поиска магнитных материалов мне очень интересна, и мы, кажется, подобрали ключик к её решению.
Н. АСАДОВА: У меня ещё, извините, вопрос.
Е. БЫКОВСКИЙ: Прогноз - когда?
А. ОГАНОВ: Я думаю, в этом году уже магнитные материалы у нас будут. Они у нас будут в качестве опытных образцов. На самом деле я вам могу сказать, что уже сейчас опытный образец такого рода уже сделан на основе нашего предсказания. Но он сейчас проходит испытания.
Е. БЫКОВСКИЙ: На пару с вами ещё одну статью. Хорошо. Наргиз.
Н. АСАДОВА: Вопрос такой. Как раз связанный с давлением. Потому что мы знаем, что ядро Земли - 4 млн атмосфер давление?
А. ОГАНОВ: Почти. 3,6.
Н. АСАДОВА: Да. Но мы очень плохо на самом деле понимаем, что там вообще за элементы. И благодаря вашему методу мы можем предсказать. Расскажите, что вам удалось уже предсказать, и насколько мы приблизились к пониманию, что там внутри ядра Земли.
А. ОГАНОВ: Известно, что ядро Земли состоит в основном из железа, это известно с 1953 года, скажем, с 1953 это общепризнанный факт. Известно также примерно с тех же времён, что это не чистое железо, а железо, которое содержит, может быть, порядка 20 мольных процентов некой примеси или неких примесей. Никто не сомневается, что там есть несколько процентов никеля. Но также никто не сомневается, что там есть процентов 10-20 каких-то более лёгких элементов, в качестве наиболее популярных, наиболее ожидаемых кандидатов называют кремний, сера, кислород, углерод, водород. Мы со всеми этими пятью кандидатами поработали. Оказалось, что углерод, который был не самым популярным элементом, на самом деле имеет очень высокий шанс быть в ядре Земли в больших количествах.
Сера всё больше и больше попадает под подозрение. Водород, похоже, не стоит даже рассматривать. То есть сейчас рассмотрение сужается всё более и более к таким элементам, как кислород, особенно во внешнем ядре, вероятно углерод и кремний. В меньшей степени сера.
Н. АСАДОВА: Что это нам даёт в практическом?
А. ОГАНОВ: Ничего.
Е. БЫКОВСКИЙ: Это ничего не даёт.
Н. АСАДОВА: Зато мы знаем, как устроена наша Земля.
Е. БЫКОВСКИЙ: Зато интересно.
А. ОГАНОВ: Да, вы знаете, я всегда считал и всегда говорю, что наука нужна только для двух вещей: для того чтобы зажигать любопытство в глазах детей и для того чтобы приводить к практическим применениям, к технологическим применениям. Всё, что посередине или всё, что вне этих двух пунктов, никому не нужно.
Либо это должно быть интересно, расширять наши знания, либо это должно каким-то образом влиять на нашу жизнь, улучшая её. В данном случае речь идёт не о практическом применении, а о зажигании глаз.
Н. АСАДОВА: Егор.
Е. БЫКОВСКИЙ: А меня просто спросили перед передачей, получил несколько писем, как обычно. А кем себя считает наш гость - физиком или химиком? В начале передачи мы об этом говорили. Давайте и здесь сейчас поговорим.
А. ОГАНОВ: Я считаю, что ставить барьеры, вот эти стены в науке не очень продуктивно.
Н. АСАДОВА: Но вы учитесь либо на физическом факультете, либо на химическом. Я так понимаю, что объём знаний всё-таки огромен и в одной сфере, и в другой. И как вы и то, и другое знаете?
А. ОГАНОВ: Вы знаете, я окончил вообще-то геологический факультет, кафедру кристаллографии и кристаллохимии, из чего можно сделать вывод, что я либо химик, либо я геолог. Но на самом деле я очень много... я прошёл самостоятельно детально курс физики, постоянно себя самообразую, всю жизнь, до сих пор, ещё со студенческих лет и до сих пор. И мои коллеги-физики не верят, что я не учился на физическом факультете.
Н. АСАДОВА: Вы такой современный Ломоносов.
А. ОГАНОВ: Нет, я не Ломоносов. Но я считаю, что в этом нет ничего необычного, нет ничего сверхъестественного. Я считаю, что самое главное и единственное образование, какое человек может получить - это самообразование. И я всегда своих студентов учу так, что каждый день ты должен при себе иметь и читать один учебник по той теме, которая тебе важна, но с которой ты менее знаком в данный момент, чем с другими. И статьи по твоим текущим исследованиям. Текущая периодика и статьи, старые и новые статьи по той теме, которой ты занимаешься.
То есть должна быть компетентность в той узкой области исследований, которой ты занимаешься, и при этом себя нужно постоянно образовывать. Мне уже скоро 40 будет, 39 сейчас. Я до сих пор сплю с учебниками. И я не собираюсь отказываться от этой привычки. И с каждым годом я чувствую, что моя научная квалификация растёт. И я не отгораживаюсь от учебников физики, потому что я химик, и не отгораживаюсь от учебников химии, потому что я физик. Я читаю и то, и то. И я читаю учебники и литературу мало того что по той области, которая мне привычна, я также читаю много литературы всё больше и больше по тем областям, в которых я хочу расширить свою научную компетенцию.
В частности. уже пару месяцев, как я читаю учебники по биохимии. Это как раз с белками. Потому что вот так ломануться в совершенно незнакомую чужую область. Я знаю, что эта область важна. Я знаю, что в этой области можно большого прогресса достичь с помощью моих методов. Но этого недостаточно, чтобы я туда просто пришёл. Я должен понять, что в этой области уже известно, а что ещё неизвестно. Я должен понять, как эти люди мыслят, как эти люди работают и где нужно делать работу, по каким именно задачам.
Н. АСАДОВА: Тогда следующий вопрос: а как вы вообще пришли к этому методу, которым вы сейчас пользуетесь и расширяете возможности для человечества?
А. ОГАНОВ: Всё было эволюционно. Я вам уже рассказал, что я окончил геологический факультет, кафедру кристаллографии и кристаллохимии. Поначалу я изучал кристаллическую структуру минералов, потом мне стало очень интересно, вы же понимаете, бОльшая часть минералов находится в условиях высоких давлений внутри Земли, и там меняется их кристаллическая структура, и меняется часть непонятным образом.
Часто эксперименты делать невозможно или трудно. И непонятно, что с этим веществом делать. Так я пришёл к задаче, что нужно научиться предсказывать кристаллические структуры, поскольку экспериментальных данных явно недостаточно, и предсказание тут очень важно.
Н. АСАДОВА: А в то время, когда вы задались этим вопросом, все говорили о том, что это невозможно.
А. ОГАНОВ: Да. И вот так я и мой студент изобрели вот этот метод предсказания кристаллических структур. Как только мы его изобрели, стало понятно, что не только минералы под высоким давлением интересно изучать, но вообще любые вещества, потому что под давлением меняется химическая связь. Мало того что меняется химическая связь, можно создавать новые материалы под давлением - непредсказуемые, экзотические материалы. Ну и потом встала задача, что материалы вообще-то интересны не только при высоких давлениях, но и при обычных. И вот этот метод позволяет предсказывать также их.
То есть вот так произошло расширение и вот так из геолога я превратился вначале в физика высоких давлений, а затем в материаловеда.
Е. БЫКОВСКИЙ: И сейчас мигрируете в биологию.
А. ОГАНОВ: И сейчас мигрирую в биологию.
Е. БЫКОВСКИЙ: Глядишь, и зоологией займётесь.
А. ОГАНОВ: Может быть, на пенсии. Вообще-то я занялся уже ботаникой. Я тут завёл свой сад в моём доме, вырастил фруктовый сад. И раньше я не мог отличить дуб от осины, а сейчас я различаю все сорта мяты, все сорта клубники. У меня уже своё хозяйство.
Н. АСАДОВА: У меня вопрос такой. На самом деле тот самый вопрос, который мы задали читателям нашего блога "Наука в фокусе" на сайте "Эхо Москвы". Когда компьютерные вычисления свойств новых материалов смогут окончательно отменить эксперимент? И было у нас три варианта ответа: в ближайшие годы, и 9% наших слушателей сказали, что да, в ближайшие годы это будет возможно. 22% наших слушателей сказали, что только через несколько десятилетий это будет возможно. И 69% сказали. что это не будет возможно никогда. Кто из них прав?
Е. БЫКОВСКИЙ: Вопрос был с подвохом, но подвох не сработал. В общем-то, люди ответили правильно.
Н. АСАДОВА: 1000 человек проголосовали.
А. ОГАНОВ: Теория и вычисления никогда не заменят эксперимент. Потому что левая нога никогда не заменит правую. Это во-первых. Теория, эксперимент и вычисления - это три ножки стула под названием "наука". Это три опоры науки, три современных метода познания мира. Но из этих трёх методов, это я вам говорю как теоретик, главным является экспериментальный, потому что теоретик может придумать всё, что угодно на листе бумаги, в своём воображении - флогистоны, эфир, всё, что хотите. И более того, это будет объяснять массу разных вещей. Но в результате окажется неправильно.
И критерием правды и неправды является именно эксперимент. Есть такие области, в которых теория сейчас позволяет достигать большей точности, чем эксперимент. Опять же, исследование высоких давлений. Для многих вещей при высоких давлениях и вообще в экстремальных условиях теория может дать гораздо более точные предсказания, чем любой эксперимент, но это сегодня. А завтра? Экспериментальные методы тоже совершенствуются.
Наступит момент - завтра, послезавтра, через десять лет - когда эксперименты всё равно перегонят теорию по точности. Потом, может быть, когда-нибудь теория опять возьмёт реванш. Но всегда надо помнить, что эксперимент является конечным судьёй правды и неправды. Эксперименты тоже бывают разные, вернее, экспериментаторы скорее. Бывают экспериментаторы откровенно халтурные. Например, был эксперимент лет 15 назад, люди утверждали, что диоксид титана будет по твёрдости такой же, как алмаз. Но это очевидная ерунда. Вы начинаете копаться в результатах, оказывается, что там всё шиворот навыворот. Такое бывает.
Но справедливости ради надо сказать, что даже экспериментаторы не верят такого рода исследованиям. Это не выдерживает проверки уже в самом начале.
Если эксперимент сделан корректно и если теоретическое исследование сделано корректно с методологической точки зрения, то всегда не то что приоритет, а победа в случае несогласия всегда должна присуждаться эксперименту.
Е. БЫКОВСКИЙ: В общем, все три ножки у стула науки должны быть одинаковой длины примерно, чтоб всё хорошо работало.
А. ОГАНОВ: И когда есть несогласовка между экспериментом и теорией, на самом деле для теоретика это самая интересная ситуация. Может быть, она и самая горькая, но она ещё и самая интересная, потому что это означает, что вы находитесь на пороге большого открытия, на пороге открытия, может быть, нового явления, которое важно для теории. Так что это как раз и то, что приводит к прогрессу.
Н. АСАДОВА: Каким вы видите будущее новых материалов через 10 лет?
А. ОГАНОВ: Я думаю, что компьютерный дизайн станет повсеместно применяться, что это станет стандартным подходом. И мне и моей лаборатории придётся, видимо, через те самые 10 лет переключиться на какую-то другую задачу, которую сейчас мы даже не можем себе представить, через 10 лет люди будут говорить, что это невозможно, а мы её решим.
Н. АСАДОВА: И она будет связана с боттаникой.
А. ОГАНОВ: Цикл пойдёт по-новому. Просто нужно всегда заниматься теми вещами, которые новые, которые считаются трудно решимыми и интересными.
Е. БЫКОВСКИЙ: Чтобы пёрло, как говорят.
Н. АСАДОВА: Мы желаем вам в этом успеха, потому что успех, я думаю, тоже важная часть в науке, в каких-то новых достижениях. Я напоминаю, что у нас в гостях был Артём Оганов, профессор Университета штата Нью-Йорк, профессор Сианьского университета и заведующий лабораторией Московского физико-технического института. С вами были как всегда Наргиз Асадова и Егор Быковский. Мы с вами прощаемся до следующей недели. Всего доброго.
Е. БЫКОВСКИЙ: Всем спасибо. Удачного конца воскресного дня.
А. ОГАНОВ: Спасибо.