Предсказаны десятки тысяч материалов с новыми свойствами, в том числе сверхпроводники, работающие при комнатной температуре. Какие наработки близки к промышленному производству и в каких областях ждать прорыва? Об этом — в интервью с профессором Артемом Огановым
Уже сейчас мы наблюдаем многие признаки наступления шестого технологического уклада (прежде всего они связаны с разработкой искусственного интеллекта), но этот переход пока рано считать свершившимся. Для него еще не создано физической основы — материалов, которые дали бы импульс ожидаемым грандиозным трансформациям. Это тормозит развитие водородной энергетики, беспилотного транспорта, робототехники и других отраслей, составляющих, как следует из экономических теорий, ядро Индустрии 6.0.
Но надежды на прорывы в этой области по-прежнему есть. О том, в каких направлениях сегодня ведутся поиски новых материалов, как из «кирпичиков» химии рождаются неожиданные соединения с заданными свойствами и готова ли промышленность взять их в свой оборот, «Моноклю» рассказал один из самых цитируемых в мире химиков, создатель знаменитой программы предсказания кристаллических структур химических соединений USPEX, которой пользуются ученые по всему миру, профессор РАН и руководитель лаборатории дизайна материалов Сколтеха Артем Оганов.
— Программу USPEX, которая позволила предсказывать материалы с нужными свойствами еще до их синтеза, вы создали более десяти лет назад. С ее помощью появились сотни и тысячи формул-кандидатов. Какая часть из них доходит до стадии лабораторных образцов и до широкого применения?
— До лабораторного синтеза доходят десятки-сотни таких предсказаний. Со временем, возможно, дойдут практически все. До применения может дойти два-три десятка наших материалов, но это медленный процесс.
— А что мы, собственно, ищем сегодня? Первые попытки синтеза полимеров, которые предпринимались более ста лет назад, были вынужденными. Природных материалов, которые тогда были в ходу (слоновая кость, каучук), остро не хватало, и людям нужно было чем-то их заменять. Есть ли в наши дни настолько выраженные потребности в новых материалах?
— Без новых материалов не будет новых технологий. Без новых технологий не будет прогресса. Это касается и комфорта человеческой жизни, и безопасности, и долголетия, и здоровья. Если вы перестаете развиваться как общество, то ваше общество будет сметено с карты мира и отправлено в учебник истории. Если мы хотим, чтобы у нашего общества было будущее, необходимо неустанно работать над технологическим прогрессом, который невозможен без новых материалов. И новые материалы нам нужны везде. В первую очередь для энергетики. Запасы лития, необходимого для аккумуляторов практически всех современных устройств, скудны и неравномерно распределены на планете, поэтому этот металл довольно дорогой. А вот натрий есть везде, и его стоимость — копеечная. И если вы сможете создать материалы, которые будут пригодны для натрий-ионных аккумуляторов, это будет как минимум интересной альтернативой. Один из лучших материалов для катодов натрий-ионных аккумуляторов активно исследуется моими коллегами в Сколтехе — это фторид-фосфат натрия и ванадия.
Более совершенные материалы нужны для транспортировки и хранения водорода, так как атом водорода очень маленький и он встраивается в структуру большинства металлов, что ведет к их охрупчиванию и деградации. Эта проблема грозит поставить жирную точку в развитии водородной энергетики. Сейчас все просто: сжатый водород хранят в баллонах. Но, к сожалению, это не очень рационально: баллон весит, условно, килограммов тридцать, а водорода в нем граммов сто. Нужны материалы, которые смогут поглощать водород и удерживать его в своей кристаллической структуре, а, например, при нагревании или при действии каких-то химических агентов — отдавать его. В идеале этот процесс должен быть циклируемым. Такие материалы, в принципе, есть, но и в них массовая доля водорода оказывается не очень большой. Однако в истории науки было много примеров, когда казалось, что задача не имеет решения, а потом оно находилось. Так что поживем — увидим. Но это лишь одна из многих-многих задач, которые стоят перед материаловедами сегодня. И все эти задачи очень интересные и очень важные.
— Еще одна актуальная область поиска — высокотемпературная сверхпроводимость. Как далеко зашли здесь предсказания?
— В этой области предсказаны десятки или даже уже сотни материалов. LaH10 (полигидрид лантана и водорода. — «Монокль») проявляет сверхпроводящие свойства при температурах до 253 кельвин (−20,15 °С. — «Монокль»), но это требует очень высокого давления — 1,7 миллиона атмосфер. С другой стороны, гидриды церия и тория проявляют замечательные сверхпроводящие свойства при более низких давлениях — например, (La, Ce)H9‒10 является сверхпроводником при температурах до 176 кельвин и давлении в один миллион атмосфер. Использовать вещества, требующие таких давлений для синтеза, пока что невозможно. Но мы думаем, что изучение таких веществ даст нам идеи, как создать комнатные сверхпроводники при нормальном давлении.
— После стольких лет поисков разными методами и ложных анонсов, кажется, что создание высокотемпературных сверхпроводников, которые могли бы массово использоваться, — цель вообще нереализуемая…
— В науке всегда кто-то будет искренне ошибаться, а кто-то — заниматься мошенничеством, но рано или поздно истина обязательно восторжествует. Результаты, подтвержденные несколькими независимыми лабораториями, можно считать верными. Уже сейчас надежно установлена почти комнатная сверхпроводимость при высоких давлениях. Я уверен, что комнатная сверхпроводимость под давлением будет достигнута в близком будущем. Но пока что трудно сказать, удастся ли создать комнатные сверхпроводники без давления.
— С какими элементами работает ваша программа при поиске искомых формул сверхпроводимости?
— Мы установили, что самые интересные сверхпроводящие свойства присущи гидридам элементов из «пояса лабильности», идущего в основном через вторую и третью группы таблицы Менделеева, — он включает такие элементы, как кальций, скандий, иттрий, лантан, церий, актиний, торий.
— Насколько это дорогое удовольствие — синтезировать в лаборатории новые сверхпроводники?
— Если говорить о стоимости исходных материалов, реагентов, то она очень мала. Скажем, лантан, иттрий или церий, которые часто используются в таких экспериментах, — это довольно дешевые металлы. Оксид церия, например, широко применяется при создании жидкостей для полировки стекол. Так что хоть он и относится к категории редкоземельных, его цена на мировом рынке — копейки.
Но дорого стоит сам синтез при высоком давлении. Необходимые порядка миллиона атмосфер достигаются в особых камерах с алмазными наковальнями. Стоимость алмаза тоже нужно учитывать, потому что время от времени эти алмазы ломаются, и объем материала, который там получается, конечно, очень маленький. Это образцы микронного размера.
— Таким образом, себестоимость массового производства этих сверхпроводников, если, конечно, до этого когда-нибудь дойдет, будет «бриллиантовой»…
— Сегодня она очень велика, но нельзя исключать, что люди найдут способ и это изменить.
— Каков путь предсказанных структур к массовым продуктам, насколько это сложный и долгий процесс? Предсказание структуры ведь еще не означает получение нового материала.
— Здесь есть два варианта. Первый — экспериментальный синтез, второй — промышленное производство. В принципе, и то и другое сложно. Предсказание оптимальных условий синтеза — это пока что нерешенная задача. Химики-органики за долгую историю химии смогли создать целый пласт методов, которые позволяют направленно синтезировать нужную им молекулу. Но есть у органических молекул определенная специфика, которая, к сожалению, не распространяется на все остальные классы соединений. И общего рецепта у нас пока что нет. Однако развитие искусственного интеллекта позволяет надеяться — и эта надежда вполне осязаема, — что удастся предсказывать и методы синтеза.
Таким образом, процесс получения нового материала можно во многом автоматизировать. На входе вы задаете нужные вам свойства, затем мой метод дает вам химическую формулу и кристаллическую структуру вещества, которое обладает этими или даже лучшими свойствами, а затем методы машинного обучения, методы искусственного интеллекта рассчитывают, что нужно сделать, чтобы это вещество получить. Ну и можно сделать совсем полной эту цепочку, если мы добавим сюда роботизированный синтез этого вещества. И это уже входит в нашу повседневную практику. Целый ряд лабораторий по всему миру уже реализуют такой подход — в США, в Китае, понемножку в Европе, и в России тоже.
Артем Ромаевич Оганов родился в 1975 году в Днепропетровске, вырос в Москве, где окончил школу с золотой медалью и с отличием геологический факультет МгУ по специальности кристаллография и кристаллохимия. в 1998 году уехал учиться в Англию. в 2002 году защитил PhD в Универ ситетском колледже Лондона, в 2007-м получил степень доктора наук в Цюрихском политехническом институте, с 2008 года работал в Универ ситете Стони-Брук в США. в 2013 году вернулся в Россию по программе Мегагрант, в настоящее время работает в Сколтехе. Женат, имеет четве рых детей. в науке получил известность как разработчик эволюционного метода предсказания кристаллических структур и созданной на его основе компьютерной программы USPEX, с помощью которой химики всего мира ищут новые материалы и обновляют знания о структуре вещества.
Что же касается сегодняшних экспериментов по синтезу, то они в большинстве случаев трудные. Где-то это включает высокие давления или высокие температуры. Как правило, с первого раза многое не получается. Всегда что-то ломается у экспериментаторов. Хорошо, что я не экспериментатор, — у нас ничего не ломается.
А промышленное производство, пожалуй, еще сложнее, потому что там нужно сделать так, чтобы не просто все работало, но еще и в большом масштабе. В эксперименте можно праздновать, если одна из десяти попыток синтеза материала получилась удачной, а в промышленности надо, чтобы из миллиона раз получилось миллион раз, чтобы тонны и тонны продукции выпускались с высочайшим качеством, семь дней в неделю.
Это всегда сложно, причем надо еще учитывать затраты на все это, стараться делать максимально экономно. По этим причинам выход материала в практику всегда занимает много времени. Вы можете знать, какой материал вам нужен, вы можете его даже не только предсказать, но и получить экспериментально. Но между вашим экспериментальным подтверждением его великолепных свойств и выходом этого материала в промышленное производство пройдет еще, скорее всего, не один год.
— Насколько вовлечена во все это отечественная и зарубежная промышленность, чувствуется ли ее готовность вкладываться в еще не существующие материалы?
— И в России, и за рубежом интерес к новым материалам огромный. К нам постоянно обращаются коммерческие компании с просьбой предсказать для них материал. Деньги на эти цели они выделяют довольно охотно. Поэтому, думаю, что и в эксперименты, и в разработку промышленных технологий они, по идее, должны инвестировать еще более охотно.
— А от чего сегодня зависит прогресс в области дизайна материалов и что его тормозит?
— Во-первых, он зависит от вычислительных мощностей. Потому что чем больше у вас этих мощностей, тем более сложные задачи вы можете решать и тем быстрее вы их решите. Во-вторых, и это еще важнее, от алгоритмов. Мощности важны, но вы не можете проблему решить, просто залив ее бесконечными вычислительными мощностями.
Если ваш алгоритм малоэффективен, то даже на самом лучшем компьютере мира вы хорошие, полноценные задачи не сможете решать. Разница между эффективным алгоритмом и малоэффективным в этой области экспоненциальная. То есть небольшое усложнение задачи приведет к тому, что ваш алгоритм просто сломается и не будет дальше работать.
Ну и, в-третьих, конечно, все упирается в специалистов. Нам нужны образованные люди, которые горят наукой, живут наукой и работают хорошо в своей области.
— Какой мощности должен быть компьютер, чтобы поставить на поток предсказания новых материалов?
— Очень большой. Знаете, для того чтобы заниматься наукой на хорошем уровне, вам всегда нужно ресурсов чуть-чуть больше, чем вы думаете, что вам нужно. Если вы считаете, что вам нужен суперкомпьютер мощностью один терафлопс, постарайтесь обзавестись мощностью полтора терафлопс. У вас будет люфт пространства для творчества, когда вы можете делать что-то незапланированное, и вот это «что-то» потом окажется самым важным.
— В науке сейчас не очень спокойное время. Все идет к тому, что США вскоре перестанут быть центром притяжения ученых со всего мира. И перехватить лидерство стремятся многие страны — например, недавно об этом намерении заявил президент Франции. Как вы относитесь к перспективе таких глобальных перемен?
— Я думаю, что Франции на этом треке ничего не светит. Хорошо, что они мечтают обогнать США, — мечтать не вредно. Но у Франции нет абсолютно никаких шансов стать не то что номером один, но и вообще сохранить даже то, что у них есть. По моим оценкам, лидером науки стал Китай. Причем отрыв от конкурентов уже значимый. А Америка, упустив лидерство, пытается сломать Китай через колено и делает для этого все, что может. Это по определению деструктивно. Мой прогноз: сломать китайскую науку у них не получится. Пытаясь изолировать китайскую науку, США сами же окажутся в изоляции.
— Американская стратегия лидерства в науке основывалась на том, что они перекупали лучших ученых со всего мира, а Китай опирается преимущественно на свои кадры. Получается, второй подход на длинной дистанции оказывается более эффективным?
— Да, Америка пылесосила хороших ученых со всего мира, причем в огромных количествах, но при этом не озаботилась тем, чтобы внутри страны производить своих хороших ученых. У них, конечно, есть хорошие школы, но их критически мало. За все годы жизни в США я видел только одну очень хорошую школу, и ту создали в Принстоне китайские миллионеры для своих детей. Обычные американские школы — это довольно грустное зрелище. Тот маленький поток собственных талантов, который поступает в замечательные американские университеты, учат в значительной степени иностранцы. Это опасная ситуация, потому что в какой-то момент (и он, как мы видим, уже наступает) иностранцы могут захотеть вернуться к себе домой. А может прийти к власти националистическое правительство, что мы прямо сейчас и наблюдаем, которое воспрепятствует приезду иностранцев в США. И вот весь этот клубок причин сейчас одновременно сработал. Есть Трамп, который говорит иностранцам: «Убирайтесь отсюда». И есть иностранные правительства — китайское, а теперь уже и индийское, в какой-то степени российское и ряд других, — которые говорят: «Приезжайте к нам. Мы вам больше заплатим». Кроме того, есть еще и такой простой факт, который тоже идет Америке в минус: жизнь там не то чтобы плоха, но, в общем-то, не сахар.
Проблема с хранением водорода грозит поставить жирную точку в развитии водородной энергетики. Сейчас сжатый газ хранят в баллонах, а нужны материалы, которые смогут поглощать водород и удерживать его в своей кристаллической структуре
— А что там не так с точки зрения ученого?
— Там много бюрократии, приходится по десять-двадцать заявок на гранты отправлять каждый год, из них получает поддержку лишь малая часть (раньше было одиннадцать процентов, сейчас еще меньше), а остальные уходят в мусорное ведро. Получается, вместо того чтобы заниматься наукой, люди вынужденно заполняют все эти формочки и бумажечки и впустую тратят время. Ученый топового уровня в США получает 150‒250 тысяч долларов в год, и большая часть этой суммы испаряется (налоги, отопление и так далее). Вся зарплата утекает сквозь пальцы, откладывать удается только очень небольшую сумму. В Китае такой же ученый получает намного больше, при этом налоги значительно ниже, в магазинах все дешевле, и нет этой головоломки с бесконечными заявками на гранты.
— А каковы условия для ученых в России относительно китайских и американских?
— Знаете, большинство российских ученых, конечно, испытывают проблемы и с финансированием своих исследований, и с зарплатами. Можно вспомнить майские указы президента, по которым средняя зарплата ученого в регионе должна быть как минимум в два раза выше средней зарплаты по региону. Но вместо того, чтобы поднять зарплату, в институтах людей часто просто переводили на долю ставки. То есть получается, как будто бы ставка действительно стала выше средней зарплаты, но многие люди так и не получили эту кратно выросшую зарплату. В среднем у нас наука пока еще очень сильно недофинансирована.
Но в то же время я знаю много ученых, которые очень прилично зарабатывают. По разным причинам. У кого-то свои очень успешные высокотехнологичные компании, у кого-то директорская позиция, на которой очень высокая зарплата. Кто-то работает в продвинутых и хорошо финансируемых научных центрах.
В общем, в России по зарплатам ученых пока еще сохраняется очень высокий градиент. Это не очень здоровая ситуация. Она может существовать только как временная, в какой-то момент она должна уравновеситься и, я надеюсь, не в сторону срезания зарплат у тех, кто сейчас зарабатывает хорошо, а в противоположную сторону.
Похожая ситуация долгое время была и в китайской науке. Когда я впервые туда поехал в 2008 году, там тоже был колоссальный градиент: топовый ученый мог получать там и полмиллиона долларов, а остальные влачили нищенское существование. Но сейчас все выправилось, все ученые зарабатывают там очень достойно.
в России по зарплатам ученых сохраняется очень высокий градиент. Это нездоровая ситуация. Она может существовать только как временная, в какой-то момент она должна уравновеситься, и не в сторону срезания зарплат у тех, кто сейчас зарабатывает хорошо
— Россия пережила несколько волн научной миграции, но вот теперь, кажется, движение идет сразу в двух направлениях: и туда, и обратно. Как вы думаете, вот эти участившиеся истории возвращения научных эмигрантов в Россию в основном индивидуальны или то, что происходит сегодня, уже можно считать волной возвращения?
— Конечно, у каждого свои причины. Кто-то прижился в новой стране, кто-то нет, кто-то вернулся на волне успеха, а кто-то — ничего не добившись. Но в то же время о волне возвращения можно говорить по очень простой причине. Этих историй становится все больше: они уже не единичны, их даже не десятки и не сотни, а многие-многие тысячи. И это очень полезно для России во многих отношениях — и для науки, потому что у людей, которые возвращаются, как правило, есть хорошая сеть зарубежных контактов в своих направлениях, есть широкий взгляд на происходящее в науке за счет опыта работы в другой системе, и как фактор мягкой силы.
— В последние годы стало проявляться такое явление в мировой науке, как дискриминация по национальному признаку. Насколько это опасно и что можно с этим сделать?
— Действительно, к сожалению, дискриминация есть, особенно в последние годы. Посмотрите, сколько людей среди ученых было арестовано в США только потому, что они китайцы или были связаны по науке с Китаем. Таких людей сотни. В их числе есть даже великие ученые, которым сломали жизнь. Почитайте ради интереса биографию Чарльза Либера, это американец, бывший декан химического факультета Гарварда, человек, у которого из научных премий были практически все, кроме Нобелевской, которую он тоже мог бы, кстати, получить. Его обвинили в связях с Китаем и в получении зарплаты от китайского университета — результатом стал обвинительный приговор, поломанная карьера, он потратил все деньги, какие у него были, на судебные процессы. Потом его выпустили, он переехал в Китай. Я думаю, что любой на его месте поступил бы так же, потому что собственная страна его просто растоптала. Был еще материаловед Ган Чэнь из Массачусетского технологического института, которому пришлось много лет потратить на то, чтобы очистить свое имя от обвинений американской системы. Ему удалось доказать свою невиновность — но какой ценой? И таких примеров очень много.
Определенные университеты — Гарвард, Колумбийский — уже не пускают китайских студентов. А Гарвард, по-моему, уже вообще никаких иностранцев не пускает. Можно говорить, что это защита национального лидерства или национальной безопасности, но можно это воспринимать и как дискриминацию. Нельзя быть одновременно открытой системой и дискриминировать людей по национальному признаку.
В отношении россиян тоже есть нечто подобное, хотя, вероятно, в меньшей степени в Америке, но в большей степени в Европе. На некоторые научные конференции российских ученых приглашают только в нейтральном статусе, а некоторые журналы отказывались даже рассматривать российские научные статьи. Я знаю один такой журнал, правда сейчас они уже изменили свою позицию по этому вопросу. Дискриминация очень сильно вредит науке.
В Польше арестовали археолога Александра Бутягина по запросу Украины — за то, что он всю жизнь ведет раскопки в Крыму. И неизвестно, что с ним будет дальше. Арестовали в Латвии корееведа Андрея Ланькова прямо во время лекции… правда, потом отпустили.
Скажу вам о личных впечатлениях. Я никогда не боялся ездить в другие страны, у меня даже была привычка в любом новом городе бродить до тех пор, пока я не заблужусь. И часто я забредал в очень опасные районы, из которых трудно выйти невредимым. Почти во всех западных городах, в том числе в США и в Великобритании, есть такие районы. Такие места есть и в азиатских городах. Но я ничего не боялся. Мне было интересно изучать города такими, какие они есть, а не только их глянцевые туристические маршруты. Но вот год назад меня пригласили прочитать лекцию в Рим — и я понял, что мне страшно. Я не хочу, чтобы со мной поступили как с Бутягиным, — и прочитал эту лекцию онлайн. Все это ужасно и очень сильно размывает фундамент доверия в науке.
— Какие задачи стоят сегодня перед вами в России?
— Знаете, я привык о своей работе говорить в прошедшем времени. Поэтому мечты у меня, конечно, какие-то свои есть и планы тоже. Но я вам о них расскажу тогда, когда я их реализую. А пока — как в русской поговорке: не говорю «гоп», пока не перепрыгну.
— А какого большого открытия в химии вы ожидаете в ближайшие годы?
— Я ожидаю, что предсказание стабильных структур и составов, то, чем я занимаюсь, в общем, большую часть своей жизни, выйдет на новый уровень и станет настолько быстрым и простым, что сможет быть сделано за считаные минуты на самом обычном компьютере.
Если вначале это была форма искусства со сложными тяжелыми расчетами, то сейчас это скорее рутинные расчеты, но по-прежнему занимающие определенное время и требующие определенных ресурсов.
Я думаю, что наступит в скором времени такой этап, когда эти расчеты станут такими же простыми, как вычисления на калькуляторе.
— А в связи с чем это должно произойти?
— В связи с появлением более эффективных компьютеров и более эффективных алгоритмов. И я думаю, что мы с вами получим более полную теорию свойств химических веществ и химических элементов. Получим исчерпывающие ответы на вопросы, почему они вступают в реакции в каких-то условиях и не вступают в других, что скрывается за такими понятиями, как основность, кислотность, электроотрицательность, энергия химической связи. Я думаю, мы получим более общие, более элегантные и прозрачные трактовки всех этих классических химических понятий.
— Известно ли, сколько элементов недостает в таблице Менделеева?
— Этого никто не знает. Полуусловная оценка верхнего предела таблицы — 173. Так принято считать среди физиков-ядерщиков — что до 173-го элемента мы можем добраться, а дальше уже нет. Я пытался понять, почему они остановились именно на этом числе, но, честно говоря, в их рассуждениях убедительной логики не увидел. 173-й элемент обладает одной особенностью: когда вы удалите из него все электроны, в этот момент из вакуума ядро создаст пару электрон-позитрон, причем позитрон будет улетать от ядра, а электрон будет вращаться вокруг него. То есть полностью ионизировать такой атом вам никогда не удастся — забавно, правда? Но из этого никак не следует, что такие элементы вы создать не можете, просто они будут другие, они будут особенные. А возможность или невозможность существования элемента должны определяться другими критериями: временем жизни ядра. И если время жизни ядра больше, чем где-то 10−14 секунд, то такое ядро можно считать состоявшимся. За это время ядро сможет одеться электронами. То есть мы получим не просто ядро, а атом. Но где проходит та граница, дальше которой время жизни ядра меньше 10−14 секунд, мы не знаем. Возможно, около 150-го элемента, 170-го, может быть 200-го. Но все эти оценки, опять же, как раз вокруг 173-го элемента.
— А сколько материалов можно создать из всего этого обилия элементов? Есть ли теоретические пределы или диапазоны?
— Этого тоже никто не знает. Понятно только одно: разнообразие всех возможных химических соединений огромно. Из семи нот можно составить все бесчисленное разнообразие мелодий. В химии же гораздо больше нот — где-то около 173.