USPEX Артема Оганова

USPEX Артема Оганова

17 апреля 2008 г., ежегодная Генеральная Ассамблея Европейского Союза Геонаук. В одной из аудиторий Международного Центра в Вене импозантный молодой человек читает лекцию об открытии новых минералов в мантии и ядре Земли, в том числе минералов, обнаруженных на глубинах, которые можно смоделировать пока только на компьютере. Его имя - Артем Оганов, а повод для лекции - вручение медали 2007г. Европейского минералогического общества за превосходные исследования (www.univie.ac.at/Mineralogie/EMU/medal.htm).

За свои 30 с небольшим лет Артем Оганов стал одним из самых известных, наиболее цитируемых минералогов-теоретиков мира. В частности, его совместная статья с японским экспериментатором Шигеаки Оно [1] о постперовскитовой минеральной фазе и природе слоя D", находящегося на земных глубинах свыше 2.5 тыс. км от поверхности, за неполные четыре года (по данным Web of Science) была процитирована 177 раз. В 2006 г. им совместно с Колином Глассом был описан новый метод, названный USPEX (Universal Structure Predictor: Evolutionary Xtallography) [2], позволяющий рассчитать структуру минерала для заданных температуры и давления исходя только из химического состава. Об этом методе, постперовскитовой фазе и некоторых околонаучных вопросах «Троицкий вариант» беседует с ведущим научным сотрудником Швейцарского Федерального Технологического Института в Цюрихе и профессором МГУ Артемом Огановым.

ТрВ: Аббревиатура USPEX имеет явное созвучие со словом «успех». Что это, просто красивое сочетание букв, или под этим кроется какой-то особый смысл? Какова краткая история разработки этого алгоритма расчета?

АО: Изобретение этого метода было большим успехом, поскольку большинство моих коллег не верило в то, что принципиально важная задача предсказания стабильной структуры исходя только из её состава вообще решаема. Люди бились десятилетиями над тем, чтобы решить эту задачу, но успехи были скромны. Я и мой аспирант Колин Гласс взялись за эту задачу 4 года назад. Бились целый год безуспешно и перед тем, как закрыть этот проект, решили попробовать последнюю пару идей. К нашему изумлению, эти идеи сработали. После этого путь дальнейшей разработки метода был уже ясен. Конечно, это был УСПЕХ - или УДАЧА. Аббревиатура для метода родилась сразу же - тут и шутка, и неявная пропаганда русского языка. Теперь полмира знает, что по-русски значит «успех».

ТрВ: Если USPEX позволяет предсказать структуру минерала только по химической формуле, при любых значениях температуры и давления, с практически гарантированным, достоверным результатом, то это открывает просто невероятные горизонты в синтезе новых веществ с совершенно новыми свойствами. Просто «кидай» набор элементов в «топку» компьютера и смотри, что получится. Это уже реалии сегодняшнего дня или всё же перспективы далекого будущего?

АО: Вы правы, возможности метода велики, и его потенциал для изобретения новых материалов весьма велик. Но в науке не бывает «палочки-выручалочки», расчеты с помощью любого нового метода требуют не только значительного компьютерного времени, но и хорошей подготовки и усилий. Зато цель - получение новых материалов - вполне оправдывает такие усилия. В области материаловедения мы пытаемся прийти к новым сверхтвердым (в идеале - тверже алмаза) и сверхпроводящим материалам, недавно начали изучение новых материалов для водородной энергии - это топливо машин будущего. Мы уже предложили несколько интересных материалов. А нашим методом заинтересовались в таких компаниях, как «Интел», «Форд» и «Дженерал Моторс». К сожалению, из России никаких запросов пока не поступало.

ТрВ: Почему было так сложно предсказать структуру минерала, и в чем отличие алгоритма 115РЕХ от ранее используемых алгоритмов? Каковы у него ограничения?

АО: Сложность связана с тем, сто существует астрономически большое (строго говоря, бесконечное) число гипотетических структур для каждого соединения. Проверка устойчивости каждого из них совершенно нереальна. Многие группы пытались перебирать все структуры с малым числом атомов (в этом случае число структур не так велико, но риск пропустить стабильную структуру высок). Был предложен и ряд других, более изощренных методов. Наш метод основан на эволюционном алгоритме, специально разработанном нами для решения проблемы предсказания стабильных структур. Вначале мы создаем небольшой пробный набор случайных структур («первое поколение» структур), из которых выбираются наиболее энергетически выгодные. Новое поколение генерируется из лучших структур прежнего поколения при помощи особых операций, вид которых и определяет успех метода. Процедура повторяется из поколения в поколение до тех пор, пока мы не находим наиболее устойчивого состояния системы.

Эта процедура напоминает естественную эволюцию живого мира: выживание и право на произведение потомства даются самым выгодным структурам. В ней заложен элемент машинного «обучения»: расчет фокусируется на тех областях пространства поиска, в которых он уже «увидел» энергетически интересные структуры. Те области, которые соответствуют невыгодным структурам, отметаются и имеют мало шансов снова «всплыть». Какой-то шанс таким областям дать все-таки надо, для этого применяются структурные мутации. Итак, основа мощи метода в том, что (1) не делается никаких допущений о структуре вещества, (2) поиск включает элемент «обучения», (3) новые структуры производятся из старых физически разумными способами, сохраняющими значительную часть структурной информации. Основное ограничение нашего метода - это число атомов в ячейке; он работает надежно и быстро для систем, содержащих до ~100 атомов в ячейке - намного больше, чем в других методах. Я и мой пост-док Андрей Ляхов, талантливый молодой физик из Украины, сейчас разрабатываем методы, которые могут позволить увеличить этот порог во много раз.

ТрВ: «Постперовскит» сегодня на слуху у многих, хотелось бы узнать в двух словах, в чем заключается важность этой минеральной фазы для геофизики.

АО: В самой нижней части мантии Земли, на границе с ядром, есть странный слой й". Это тот самый слой, через который тепло ядра переходит в мантию, где зарождаются мантийные плюмы. Понимание этого слоя необходимо для построения моделей динамики и эволюции Земли. Свойства слоя D", изученные сейсмологами еще в 1950-е годы, оказались очень необычными и никак не находили разумного объяснения. В 1998-1999 гг. наш соотечественник Игорь Сидорин, в то время аспирант в Калифорнийском Технологическом Институте (затем, к огромному сожалению, отошедший от науки), предположил и обосновал, что эти аномалии обусловлены каким-то доселе не известным фазовым переходом в мантийных минералах.

Но свойства этого перехода, извлеченные Сидориным, были довольно странными, а уверенность в устойчивости перовскитовой формы MgSiO₂ (минерала, составляющего около 75% объема нижней мантии, или почти 40% объема всей Земли) слишком велика - в результате большинство исследователей проигнорировали эти работы. Открытие постперовскита, последовавшее в 2004 г., с удивительной точностью подтвердило предсказание Сидорина и дало простое объяснение практически всем аномалиям (ТрВ - см. график динамики цитирований статей И. Сидорина).

Наша справка: Мантия Земли - обширный регион, простирающийся с подкоровых глубин (прим.: на континентах средняя толщина коры составляет около 40 км) до ядра, расположенного на глубинах почти в 2.9 тыс км. Верхняя часть мантии сложена преимущественно перидотитом (прим.: от устаревшего названия оливина - перидот) - горной породой, состоящей из оливина, ромбического и моноклинного пироксена (а также некоторого количества других минералов, например граната). С ростом давления эти минералы претерпевают структурные перестройки с резким увеличением плотности. Второй по распространенности мантийный минерал - ромбический пироксен MgSiO₃,– начиная с глубин 410 км, претерпевает серию структурных перестроек и в конечном итоге на глубине 660 км приобретает структуру перовскита - минерала, имеющего формулу CaTiO₃ и кристаллизующегося во многих щелочных магмах вблизи к поверхности Земли. Магнезиальный перовскит, или, на сленге геофизиков, - просто перовскит, устойчив почти до самого ядра Земли.
В 2004 году Артемом Огановым было теоретически предсказано, что при давлениях порядка 130 гигапаскаль перовскит преобразуется в новую кристаллическую фазу (см. рисунок), получившую название постперовскит, которую Шигеаки Оно экспериментально синтезировал в лаборатории. Практически одновременно постперовскит был также синтезирован в Токийском университете [6]. Перовскит и постперовскит слагают почти 75% всей мантии глубже 650 км. Структуры перовскита (слева) и постперовскита (справа). Красными шарами показаны атомы магния, а положение атомов кислорода вокруг атомов кремния - синими октаэдрами (archiv.ethlife.ethz.ch/articles/tages/D2_Schicht1.html).

ТрВ: Итак, слой D" получил свое объяснение за счет фазового перехода перовскит/постперовскит, некоторые другие сейсмические разделы мантии Земли также объясняются изменением структуры минералов при увеличении давления, напрямую зависящего от глубины. Однако существуют дискутируемые сейсмические разделы; в частности, Лев Винник из ИФЗ РАН пишет о разделах на глубинах 1070, 1200, 1800 км. Можно ли ожидать, что и они окажутся связанными с изменением структуры каких-нибудь минералов? Опять же условия в ядре Земли пока не могут быть воспроизведены в лабораторном эксперименте. Иными словами, следует ли ожидать громких открытий для Земли, или же наиболее интересные вещи кроются в других планетах, например в газовых гигантах?

АО: Лев Винник, пожалуй, самый известный наш сейсмолог, и за его работами я внимательно слежу. Надо признать, что сейсмические разрывы на глубинах 1070, 1200, 1800 км реально существуют, хотя их природа неизвестна и они не так резко и повсеместно выражены, как разрывы на глубинах 410 и 670 км. Подходящие структурные переходы пока не известны (предлагалось несколько гипотез - переходы в SiO₂ или CaSiO₃, но они оказались несостоятельными). В подходящем диапазоне давлений/глубин обнаружен спиновый переход примесей атомов железа в главных нижнемантийных минералах, MgO и MgSiO₃. Но этот переход, по-видимому, плавный и не может обусловливать сейсмических разрывов. Возможно, решение следует искать в химических реакциях: распад или образование новых соединений может стать ключом к разгадке сейсмических границ Винника.

О ядре. За прошедшие несколько лет произошли огромные изменения нашего понимания ядра Земли. И вновь они связаны с нашими соотечественниками, живущими заграницей. В 2003 г. Анатолий Белоножко из Уппсальского Университета (Швеция) предсказал новую фазу железа в условиях внутреннего ядра. Позже, в 2007-08 гг., он же показал, что свойства этой фазы хорошо соответствуют известным свойствам ядра, а сама эта фаза была экспериментально обнаружена в 2007 году Леонидом Дубровинским из Байройтского Университета (Германия) - хотя эксперимент и проводился при меньших давлениях и температурах, чем те, что существуют во внутреннем ядре. В том же 2007 году Аркадий Михайлушкин из Уппсальского Университета теоретически показал, что возможны и другие фазы железа и его сплавов во внутреннем ядре. Так что последнее слово о ядре еще не сказано.

Что же касается планет-гигантов и экзопланет, тут также огромен простор для исследований. Здесь мы сталкиваемся с совершенно другими мирами. Например, планетологам совершенно ясно, что в недрах Нептуна функционирует какой-то необычный механизм генерирования теплоты, не связанный с радиоактивным распадом. В 1981г. американский исследователь Марвин Росс предположил, что под давлением метан (один из главных компонентов Нептуна) разлагается на водород и алмаз. Тяжелый алмаз под действием силы тяжести падает внутрь этой жидкой планеты (приводя к скоплению огромных масс алмаза в недрах Нептуна) - так вот частиц алмаза и есть тот самый источник тепла, согласно Россу. Эта идея была исследована итальянским теоретиком Анчилотто, а сейчас этим занялся и я. К сожалению, оказывается, что образование алмаза термодинамически невыгодно, и вопрос о происхождении тепла на Нептуне остается открытым. Есть и много других столь же увлекательных загадок.

Рис. Динамика цитирования статей Сидорина и др. [3-5], до (оранжевые столбцы) и после (красные столбцы) открытия постперовскитовой фазы.

ТрВ: Ну и, наконец, серия околонаучных вопросов. Вы окончили кафедру кристаллографии геологического факультета МГУ в 1997 г., после чего сразу же уехали в Англию, где получили Ph.D., а сейчас на постоянной основе работаете в Швейцарии. В чем кроется главная составляющая успеха Артема Оганова, в базовом образовании в Alma Mater или последующей учебе и работе за рубежом?

АО: Я очень благодарен судьбе за то, что так оптимально сложилась моя профессиональная жизнь: в России хорошее школьное и университетское образование, в Англии идеально делать аспирантуру, а в Швейцарии хорошо работать и жить.

ТрВ: В 2006 году Вы получили звание профессора МГУ. Что это, дань признания со стороны родного факультета или же возврат ему «долгов», т.е. накладывает ли это звание какие-либо обязательства по чтению лекций?

АО: Думаю, что это и то, и другое. Конечно, быть профессором МГУ почетно. Особенно для того, кто там учился. Но это еще и возможность внести хоть какую-то лепту в дело возрождения МГУ и российской науки. Время от времени я читаю лекции, а мои статьи теперь подписаны двумя адресами - швейцарским и российским.

ТрВ: В прессе звучат разные суждения о состоянии науки в России - от официозных, озвучиваемых, например, руководством РАН, что всё в порядке и едва ли не единственной проблемой является её недофинансирование, до апокалипсических, что разрушение науки уже достигло точки невозврата, когда никакие вливания денег не смогут изменить ситуацию к лучшему. Что Вы думаете по этому поводу?

АО: Мне кажется, правда посередине. В последние 3-4 года в нашей науке произошли большие изменения в лучшую сторону. Но было бы полной несуразицей говорить, что в российской науке все хорошо. Кстати, все положительные изменения происходят пока что только за счет увеличенного финансирования, закупки приборов и т.д. Я думаю, вливание денег поможет - поможет еще не уехавшим и не умершим талантливым российским ученым хорошо работать, даст стимул молодежи идти в науку. Но этого совсем не достаточно, надо менять систему, вернуть уехавших российских ученых. Надо привлечь в Россию лучших иностранных ученых - так, как это делают все развитые страны, а сейчас начал и Китай. Так, как это делала Россия при Екатерине II и даже при тиранах вроде Анны Иоанновны и Сталина, который, кстати говоря, привлек немало американских инженеров к мегапроектам вроде Магнитогорска и ДнепроГЭСа. Швейцарец Леонард Эйлер (1707-1783) и австриец Пауль Эренфест (1880-1933) были российскими подданными: Эйлер умер в России, а Эренфеста с его русскими женой и детьми прогнала революция.

Вообще, наука по определению должна быть открытой - изоляционизм есть худший яд для науки. Но привлечь свою молодежь, своих эмигрировавших ученых и иностранных ученых только большой зарплатой не удастся. Одна из наших проблем в том, что в России слишком много «организаторов науки», функция которых часто сводится к тому, чтобы быть камнем на шее ученых (эффективность организаторской деятельности, судя по результатам, очень часто никуда не годится). Надо дать ученым свободу творить без давления чиновников и «организаторов науки», а чтобы эти уважаемые лица не обижались, для нового поколения ученых было бы хорошо устроить новые научные центры, где такая свобода была бы возможна вне досягаемости от «организаторов» (лучше всего вдалеке от столиц с их дорогим жильем и суетой).

Академия наук тоже переживает не лучшие времена, и это не удивительно - критерии и процедура выборов в Академию далеки от науки. Вспомните «золотой век» советской науки, когда в 26 лет Лев Ландау стал доктором наук без защиты, профессором в 27 лет и академиком в 38 лет. А теперь посмотрите на нынешнего всемирно признанного гения Григория Перельмана, у которого нет никаких подобных отличий. Похоже, никому нет дела не до Перельмана - до науки. Пока что науку используют в целях саморекламы - это уже неплохо, но лишь настоящий энтузиазм способен поднять ее. Не знаю, дождемся ли мы правильных шагов от государства, но я верю в восстановление нашей науки. Вопрос только в том, каковы будут ее функции - превращение России в интеллектуальную и технологическую Мекку или же подпитка иностранных научных «мекк» новыми кадрами.

Вопросы «Троицкого варианта»
задавал Алексей Иванов

Литература:

Oganov A.R., Ono S. Theoretical and experimental evidence for a post-perovskite phase of MgSiO3 in Earth's D" layer // Nature. 2004. No. 430. P. 445-448.
Oganov A.R., Glass C.W. Crystal structure prediction using evolutionary algorithms: principles and applications // J. Chem. Phys. 2006. No. 124, art. 244704.
Sidorin I., Gurnis M., Helmberger D.V. et al. Interpreting D" seismic structure using synthetic waveforms computed from dynamic models // Earth and planetary science letters. 1998. V. 163. P 31-41.
Sidorin I., Gurnis M., Helmberger D.V. Dynamics of a phase change at the base of the mantle consistent with seismological observations // Journal of Geophysical Research. 1999. V. 104, B7. P. 15005-15023.
Sidorin I., Gurnis M., Helmberger D.V. Evidence for a ubiquitous seismic discontinuity at the base of the mantle // Science. 1999. V. 286. P. 1326-1331.
Murakami M. Hirose K., Sata N., et al. Phase transition of Mg-SiO3 perovskite in the deep lower mantle // Science. 2004. V. 304. P. 855-858.