Химики смоделировали на компьютере структуру жидкого углерода.

Твёрдые вещества при нагревании плавятся и превращаются в жидкости, а жидкости после достижения определённой температуры начинают кипеть и становятся паром. Это правило не всегда работает с веществами, состоящими из больших и сложных молекул — например, у вас вряд ли получится расплавить кусок дерева. Однако, для простых веществ, состоящих из атомов одного химического элемента, обычно доступны все три агрегатных состояния: твёрдое, жидкое и газообразное. Если вещество сильно охладить, оно обязательно затвердеет, если сильно-сильно нагреть — то станет газом, а между этими крайними состояниями будут существовать условия для жидкости. Но есть совсем немного химических элементов, которые наотрез отказываются становиться жидкостями ни при каких условиях, и одно из них — углерод.

Атомистическая структура жидкого углерода: розовые атомы — sp-гибридизация, зелёные — sp2, серые — sp3 (слева). Примеры отдельных углеродных цепочек в объёме жидкости (справа). Источник: Carbon

Несмотря на обилие разных форм существования углерода в твёрдой фазе (а это и графит, и алмаз, и сажа, и различные нанотрубки и фуллерены), ни один из этих видов твёрдого углерода не получается перевести в стабильную жидкость. Рассчитанные температуры плавления углерода настолько высоки, что ни один из известных материалов не смог бы их выдержать. Учёные, конечно, идут на хитрость, и у них иногда получается на микросекунды расплавить углерод, например, вспышкой лазера или электрическим разрядом, но с изучением свойств жидкого углерода при этом возникают большие трудности.

Но если «пощупать» расплавленный алмаз в реальности пока не очень получается, то это можно сделать хотя бы виртуально, создав компьютерную модель вещества и рассчитав его свойства. Вся загвоздка лишь в том, насколько точными будут эти модели и будут ли рассчитанные свойства хотя бы приближены к реальности. Дело в том, что с помощью очень точных квантово-химических моделей можно описать взаимодействие лишь очень ограниченного числа атомов. А когда мы переходим от считанных атомов к веществу, то соответствующая вычислительная задача становится непосильной даже для современных суперкомпьютеров.

Поэтому в таких расчётах не обойтись без приближений. Один из «рецептов» создания таких приближений заключается в том, чтобы для расчёта взаимодействия между атомами вещества взять простые для вычисления формулы, но с большим набором «подгоночных» коэффициентов. Затем подобрать эти коэффициенты так, чтобы наши более простые формулы для относительно простых объектов хорошо предсказывали результаты, полученные более точными и более «тяжеловесными» расчётами. Тогда, считается, что и для более сложных и больших химических объектов, уже «неподъёмных» для точных вычислений, наши простые формулы дадут более или менее похожий на правду результат. Или не дадут. Что тоже бывает, поэтому существует большое количество как самих формул, так и «тренировочных» моделей. И одной из новых тенденций в вычислительной химии стало использование систем машинного обучения для построения таких вот упрощённых химических моделей.

Созданные с помощью машинного обучения приближённые химические модели оказываются весьма точными, а главное, искусственный интеллект может нащупать такие неявные закономерности в мире атомов и молекул, которые были бы совсем неочевидными для «классических» химиков. А это открывает окно, пусть пока и виртуальное, в мир необычных и удивительных веществ. Таких, как жидкий углерод.

В недавно вышедшей статье в Carbon учёные из МФТИ, МГТУ им. Н. Э. Баумана и ОИВТ РАН описывают результаты теоретических расчётов свойств жидкого углерода, полученных как раз с помощью подобных методик. Как оказалось, при температурах 5–7 тысяч градусов в жидком углероде можно обнаружить цепочки, структурно похожие на молекулы карбина — крайне нестабильную твёрдую фазу углерода, синтезировать которую у химиков получается лишь в очень специфических условиях.

Полученные данные о жидкой фазе углерода важны не только с практической точки зрения, например для поиска новых методов высокотемпературного синтеза углеродных наночастиц, но и для фундаментальной науки: углерод при экстремальных температурах и давлениях — нередкий гость в задачах астрофизики.

По материалам МФТИ.