Хіміки змоделювали на комп'ютері структуру рідкого вуглецю.
Тверді речовини при нагріванні плавляться і перетворюються на рідини, а рідини після досягнення певної температури починають кипіти і стають пором. Це правило не завжди працює з речовинами, що складаються з великих і складних молекул - наприклад, у вас навряд чи вийде розплавити шматок дерева. Однак, для простих речовин, що складаються з атомів одного хімічного елемента, зазвичай доступні всі три агрегатних стани: тверде, рідке і газоподібне. Якщо речовина сильно охолодити, вона обов'язково затвердіє, якщо сильно-сильно нагріти - то стане газом, а між цими крайніми станами будуть існувати умови для рідини. Але є зовсім небагато хімічних елементів, які навідріз відмовляються ставати рідинами ні за яких умов, і одне з них - вуглець.
Незважаючи на велику кількість різних форм існування вуглецю в твердій фазі (а це і графіт, і алмаз, і сажа, і різні нанотрубки і фуллерени), жоден з цих видів твердого вуглецю не виходить перевести в стабільну рідину. Розраховані температури плавлення вуглецю настільки високі, що жоден з відомих матеріалів не зміг би їх витримати. Вчені, звичайно, йдуть на хитрість, і у них іноді виходить на мікросекунди розплавити вуглець, наприклад, спалахом лазера або електричним розрядом, але з вивченням властивостей рідкого вуглецю при цьому виникають великі труднощі.
Але якщо «помацати» розплавлений алмаз в реальності поки не дуже виходить, то це можна зробити хоча б віртуально, створивши комп'ютерну модель речовини і розрахувавши її властивості. Вся заковика лише в тому, наскільки точними будуть ці моделі і чи будуть розраховані властивості хоча б наближені до реальності. Справа в тому, що за допомогою дуже точних квантово-хімічних моделей можна описати взаємодію лише дуже обмеженого числа атомів. А коли ми переходимо від лічених атомів до речовини, то відповідне обчислювальне завдання стає непосильним навіть для сучасних суперкомп'ютерів.
Тому в таких розрахунках не обійтися без наближень. Один з «рецептів» створення таких наближень полягає в тому, щоб для розрахунку взаємодії між атомами речовини взяти прості для обчислення формули, але з великим набором «підгоночних» коефіцієнтів. Потім підібрати ці коефіцієнти так, щоб наші більш прості формули для відносно простих об'єктів добре передбачали результати, отримані більш точними і більш «великоваговими» розрахунками. Тоді, вважається, що і для більш складних і великих хімічних об'єктів, вже «непідйомних» для точних обчислень, наші прості формули дадуть більш-менш схожий на правду результат. Або не дадуть. Що теж буває, тому існує велика кількість як самих формул, так і «тренувальних» моделей. І однією з нових тенденцій у обчислювальній хімії стало використання систем машинного навчання для побудови таких ось спрощених хімічних моделей.
Створені за допомогою машинного навчання наближені хімічні моделі виявляються вельми точними, а головне, штучний інтелект може намацати такі неявні закономірності в світі атомів і молекул, які були б зовсім неочевидними для «класичних» хіміків. А це відкриває вікно, нехай поки і віртуальне, у світ незвичайних і дивовижних речовин. Таких, як рідкий вуглець.
У статті Carbon, що нещодавно вийшла, вчені з МФТІ, МГТУ ім. Н.Е. Баумана і ОІВТ РАН описують результати теоретичних розрахунків властивостей рідкого вуглецю, отриманих якраз за допомогою подібних методик. Як виявилося, при температурах 5-7 тисяч градусів в рідкому вуглеці можна виявити ланцюжки, структурно схожі на молекули карбину - вкрай нестабільну тверду фазу вуглецю, синтезувати яку у хіміків виходить лише в дуже специфічних умовах.
Отримані дані про рідку фазу вуглецю важливі не тільки з практичної точки зору, наприклад для пошуку нових методів високотемпáного синтезу вуглецевих наночастинок, а й для фундаментальної науки: вуглець при екстремальних температурах і тисках - нерідкий гість у завданнях астрофізики.
За матеріалами МФТІ.