Каким наши потомки увидят XXI век? Сложно указать на какой-то конкретный материал. Можно посмотреть шире. XXI век можно назвать веком искусственного интеллекта. Сейчас эта область сильно развивается. Мы стараемся активно применять искусственный интеллект для поиска новых материалов. Однако традиционно поиск новых материалов связан с методом проб и ошибок.

Начнем издалека. Допустим, вы хотите завести кота. В первую очередь решаете, какой он должен быть. Например, умный (лучше иметь дело с умным котом). К тому же маленький, потому что с маленьким котиком проще жить — его можно взять с собой куда-нибудь. Да и с утра никто не придавит. Пусть он будет пушистый. И легкий. Никто не любит таскать тяжелых котов. Но в жизни часто бывает, что мы хотим одного, а в итоге получается другое. Котята вырастают, шерсть у них выпадает. Что касается ума, то его наличие предсказать вообще невозможно.

То же и с материалами: в лаборатории вы хотите получить некоторые новые соединения, которые были бы твердыми и могли бы использоваться в сверлении, в обработке или в бурении. На стеллаже стоят разные порошки, которые мы используем.

Мы сделали материал. Начали его мерить. Померили твердость — твердый. Плотность — плотный. То что нужно. Стоимость — дешевый. Еще лучше. Но оказалось, что он нестабилен, он разваливается. Мы его использовать не можем, значит, пробуем заново.

Ищем новый материал, но опять получается, что мы делаем выбор уже из тех компонентов, что есть. Всегда есть вероятность, что мы не нашли материал, имеющий оптимальные необходимые для нас свойства. Да и всегда ли мы можем получить его? Для начала нужно точно знать свойства желаемого материала.

Вернемся к коту. Какие свойства кота мы можем исследовать? Сделать рентгеновский снимок и посмотреть его внутреннюю структуру, снять МРТ и посмотреть, как у него работает мозг, посмотреть кости и внутренние органы. Можем измерить его рост, вес. А как исследовать свойства материалов? Все сильно зависит от структуры. И если точно определить структуру, то можно будет и определить все свойства этого материала. Как же определить структуру?

На схеме ниже представлена кристаллическая структура, где черными точками отмечены атомы. Увидеть ее глазами невозможно, потому что атом очень маленький. Эту структуру можно увидеть только в современные микроскопы. Однако, если посветить на эту структуру рентгеновским лучом, как на котика, то можно получить дифракционную картину, расшифровав которую, можно найти положение атомов. По соотношению, интенсивности и расположению розовых точек можно определить кристаллическую структуру материала и понять его свойства.

Можем ли мы решить обратную задачу, когда нужна некая структура, которая бы имела необходимые свойства? Как нам ее найти?

Вернемся к нашим котам. Допустим, нужен специальный кот, которого мы сможем взять с собой на полярную станцию. Какими свойствами он должен обладать? В первую очередь — ум. Территория опасная, нужно иметь голову, чтобы выжить. Во- вторых, кот должен быть легким, чтобы можно было нести его в поклаже и не надорваться. Также он должен быть сильным. Мало ли, ему придется сани тащить с людьми, еще что-нибудь. И морозоустойчивым, чтобы не замерз в первую же ночь. Соединив эти четыре свойства, мы получим некоторого суперкота, которого мы с собой возьмем.

Поставим такую же обратную задачу для нашего материала. Возьмем некий набор свойств: сверхтвердый, дешевый, легкий — и соединим их. В результате мы должны получить некий суперматериал. Но мы не знаем его структуру и не сможем решить эту задачу методом проб и ошибок, потому что этот метод подразумевает, что мы уже знаем структуру. Здесь мы идем от обратного. В итоге мы прощаемся с этим методом, чтобы пойти абсолютно новым путем. Его нам подсказывает теория эволюции. Только она будет работать не на живых существах, а на кристаллических структурах и материалах.

Итак, возможно ли найти материал с необходимыми свойствами? Ответ — нет. Это сделать невозможно, но с другой стороны, мы живем в XXI веке, когда можно все. Существуют современные методы, с помощью которых на компьютере можно предсказать кристаллические структуры всевозможных соединений, в том числе обладающих заданными свойствами.

Как найти кота для полярной станции с помощью эволюции? Теоретически так: разбрасываем котиков по всей поверхности Земли (рис. 1), затем отбираем тех из них, которые у нас выживут, потому что часть попала в воду, где они жить не смогут. Этих в расчет не берем и оставляем только тех, кто остается на суше (рис. 2).

Пунктиром отсекаем область на нашей карте (рис. 3). Это полярный круг — там должны жить эти коты. Затем бросаем ближе к полярному кругу еще порцию некоторых котов (рис. 4). Скрещиваем новых котов с предыдущим поколением кошек.

В итоге мы получаем второе поколение котов, которые уже больше приближены к жизни на Северном полюсе, за полярным кругом. Повторяем эту операцию: заселяем кошек, еще раз их скрещиваем. Шаг за шагом заселяем, скрещиваем. И получаем в итоге суперкота, который уже будет точно там жить. Таким образом, этот кот будет обладать такими свойствами своих предков из предыдущих поколений, чтобы спокойно жить на полярной станции. И то же самое — с нашими материалами.

Перейдем к задаче материаловедения. Нам нужен новый сверхтвердый материал, который мы сможем применять в оборудовании для бурения, сверления, обработки и так далее.

Во-первых, он должен быть дешевым и простым в создании. Затем нам нужно, чтобы этот материал был лучше, чем тот, что уже используется, иначе его никто использовать не будет.

Можно ли будет использовать сверхтвердый материал в обычной, повседневной жизни? Конечно, лучше всего найти материал, который можно использовать повсеместно, не только в бурении, но и в сверлах, подшипниках — везде.

Итак, наш план таков: нужно предсказать на компьютере материал с необходимым набором свойств. Затем получить его в лаборатории, синтезировать, измерить свойства и сделать деталь, чтобы вставить ее в оборудование.

Для первого шага, как и в случае с кошками, мы используем эволюционный алгоритм, который позволяет нам предсказать кристаллические структуры. Основным параметром для получения новой структуры является энергия. Чем энергия структуры ниже, тем структура стабильнее. Свойства предсказанной новой структуры нужно рассчитать, после чего материал можно синтезировать. Если полученный материал успешно пройдет испытания, то останется только сделать детали из него и начать их использовать.