Новый метод расчетов предсказал кристаллические структуры в центре Земли
Метод, позволяющий прогнозировать на компьютере кристаллическую структуру материалов при любых температурах, разработали исследователи из Сколтеха, МФТИ и Всероссийского НИИ автоматики им. Н. Л. Духова, 1 ноября сообщила пресс-служба Сколтеха.
Исследуя возможности нового метода, ученые рассчитали структуру силиката магния в нижней мантии и железа во внутреннем ядре Земли. Полученные данные уточнили существующие в современной геологии представления. Такие прогнозы ранее были невозможны из-за непомерно дорогих расходов на вычисления.
Ученые представили разработанный ими метод в статье «Прогнозирование кристаллической структуры при конечных температурах», опубликованной в журнале npj Computational Materials. Метод применим и к другим химическим системам.
Руководитель исследования, профессор Сколтеха Артём Оганов пояснил: «Хотя и раньше можно было предсказать, какое взаимное расположение примут атомы тех или иных элементов при определённом давлении, поиск соответствующих кристаллических структур был возможен только для температуры абсолютного нуля, то есть для умозрительного случая, далёкого от того, что происходит в глубине Земли».
Традиционными методами, отметил Оганов, влияние ненулевой температуры в расчетах трудно учесть из-за огромного числа возможных конфигураций взаимного расположения атомов, которое возникает в результате их тепловых колебаний, при этом каждая из них требует вычислений. Поэтому стоимость расчета возрастает до запредельных размеров.
Но такие расчеты нужны, если необходимо определить стабильность всех теоретически возможных кристаллических структур и узнать, какие из них будут существовать при определенных условиях.
Исследователи нашли выход из этой ситуации, разработав способ значительно снизить вычислительную стоимость решения вышеописанной задачи без снижения точности расчетов.
Для проверки нового подхода его применили для решения двух до конца не выясненных вопросов планетологии. Исследователи решили определить кристаллическую структуру железа внутреннего ядра Земли и расположение границы между двумя фазами силиката магния в ее нижней мантии.
Полученные результаты позволят судить о распределении температуры и тепловых потоках в недрах планеты сейчас и в другие периоды её истории.
«Мы уточнили фазовые диаграммы железа и силиката магния. В частности, мы подтвердили, что железо в условиях твердого внутреннего ядра Земли должно принимать гексагональную плотноупакованную структуру. Наш расчет, правда, исходит из чисто железного ядра — учесть возможное влияние примесей предстоит в будущем», — рассказал Оганов.
Исследователи также уточнили положение границы фазового перехода силиката магния, который составляет основу мантии Земли. Зная ее и располагая сейсмологическими данными, можно будет оценить температурное распределение в мантии.
Высокие вычислительная эффективность и качество результатов разработанного российскими учеными метода основываются на том, что чрезвычайно сложные квантово-механические расчеты были заменены ими машинно обучаемыми потенциалами, которые требуют меньших вычислений при почти идеально воспроизводимых результатах.
Кроме того, используя термодинамическую теорию возмущений, разработчики смогли с помощью небольших дополнительных вычислений повысить точность предсказания структур, сделав его полностью эквивалентным квантово-механическому расчету.
Также побочным результатом предсказания структур при ненулевых температурах стало упрощение одного аспекта вычислений.
Сложность предсказания устойчивых кристаллических структур определяется в основном огромным количеством возможных конфигураций, которые соответствуют локальным минимумам энергии системы (минимальная энергия системы является признаком ее устойчивости). Но с ростом температуры уменьшается число локальных минимумов, что сокращает количество вариантов и упрощает задачу.
Исследование метода ученые расширили, предсказав для заданной температуры кристаллические структуры для алюминия, борида вольфрама и диоксида гафния. Полученные результаты позволили им утверждать, что он готов для расчетов по другим соединениям.
