КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 19-72-30043

НазваниеЛаборатория компьютерного дизайна новых материалов

РуководительОганов Артем Ромаевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регионАвтономная некоммерческая образовательная организация высшего образования «Сколковский институт науки и технологий», г Москва

Года выполнения при поддержке РНФ2019 - 2022

КонкурсКонкурс 2019 года по мероприятию «Проведение исследований научными лабораториями мирового уровня в рамках реализации приоритетов научно-технологического развития Российской Федерации» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-201 - Теория конденсированного состояния

Ключевые словакомпьютерный дизайн материалов, эволюционные алгоритмы, предсказание кристаллических структур, сильнокоррелированные системы

Код ГРНТИ29.03.77


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Проект нацелен на развитие новых вычислительных методов, которые значительно усилят возможности компьютерного предсказания материалов, позволят предсказывать более сложные материалы, расширив класс материалов, доступных структурному предсказанию и учитывая «сложные» факторы, такие, как температурные и корреляционные эффекты. Между двумя флагманскими программными пакетами, разрабатываемыми в России, USPEX и Amulet, будет создан интерфейс, что позволит максимально эффективно использовать их взаимно дополняющий функционал. Таким образом, проект принесет пользу всему международному научному сообществу, поскольку предоставит улучшенные версии двух ведущих программных пакетов и методов, на которых они основаны. Новые методы будут применены для решения ряда фундаментальных и, в особенности, прикладных задач, связанных с предсказанием следующих классов материалов: 1. Новые сверхтвердые материалы с приложениями в технологиях бурения, бронежилетах, металлообработке, хирургических инструментах, создании снарядов и боеголовок, и т. д. 2. Новые постоянные магниты, позволяющие снизить зависимость от редкоземельных металлов. В современном мире такие материалы используются повсюду, например в сверхскоростных поездах Maglev. 3. Новые термоэлектрики, повышающие эффективность соответствующих устройств в 2-3 раза. Во многих случаях термоэлектрическое преобразование энергии является, пожалуй, единственно возможным способом получения электроэнергии - например, в удаленных от цивилизации местах, или в открытом космосе. Термоэлектрический эффект также может быть использован для увеличения эффективности электростанций, двигателей, и т. д. 4. Электриды, уникальный класс материалов с сильно локализованными электронами (в пустотах между узлами кристаллической решетки). Они могут быть использованы как эмиттеры электронов и как катализаторы. 5. Наночастицы, обладающие каталитической активностью или перспективными электронными свойствами. Катализ является основой химической промышленности, изучение его исключительно важно. Плазмоны в наночастицах становятся популярной темой в связи с миниатюризацией электроники и нам бы хотелось изучить это явление.

Ожидаемые результаты
Наш проект глубоко ориентирован на практические применения. Мы запланировали поиск нескольких типов материалов, и каждый успешно найденный материал дает огромный экономический и технологический эффект.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Данный проект посвящен разработке и применению новых вычислительных методов и программного обеспечения для предсказания новых материалов. По части разработки новых методов/программ, мы сфокусировались на двух центральных задачах: (1) предсказания кристаллических структур (где расширили наш метод/программу USPEX на ненулевые температуры, с полным учетом ангармонизма колебаний решетки, и на магнитные структуры, а также ускорили расчеты благодаря созданию новых вариационных операторов и использованию потенциалов межатомного взаимодействия на основе машинного обучения) и (2) моделирования сильнокоррелированных систем, включающих как соединения переходных металлов, так и электриды (для описания этих систем мы используем метод DFT+DMFT, для которого в нашей программе Amulet имплементировано зарядовое самосогласование). В частности, сформулирован общий потенциал межатомного взаимодействия на основе машинного обучения, включающий 2- и 3-частичные взаимодействия, который был с успехом применен к изучению межзеренных границ в поликристаллическом вольфраме, и была получена намного более высокая точность, чем с помощью традиционных моделей погруженного атома. Данный тип потенциалов был реализован нами в новой версии общедоступной программы LAMMPS. Нами было показано, что электронные корреляции играют существенную роль в электридах, и была создана микроскопическая модель на эффективном гамильтониане в базисе функций Ванье для детального понимания физики этих соединений. Электриды – экзотический и мало изученный класс материалов, в которых сгустки электронной плотности ведут себя как отрицательно заряженные ионы, локализованные в пустотах, что приводит к необычным свойствам (напр., каталитической активности). Так, для электридов Ca2N и Y2C электронные корреляции приводят к экспериментально наблюдаемому увеличению эффективной массы электронов (2,4-2,8*m_e). Расчеты локальной спиновой восприимчивости показывают в Ca2N ненулевые локальные моменты на электридых состояниях, а температурная зависимость однородной магнитной восприимчивости указывает на низкотемпературное магнитное упорядочение. Мы показали, что даже в такой простой системе, как металлический Са (где под давлением образуется электридная фаза), последовательность фаз под давлением можно объяснить только при учете электронных корреляций. Для упорядоченной L10 фазы FeNi (тетратэнита), который является перспективным постоянным магнитом, не содержащим редкоземельных элементов, предварительные результаты указывают на существенные корреляционные эффекты. Вычисленная собственно-энергетическая часть для 3d состояний железа, в отличие от 3d состояний никеля, не демонстрирует фермижидкостное поведение, а спин-спиновая корреляционная функция указывает на наличие хорошо локализованных магнитных моментов на узлах Fe, при этом степень локализации моментов на узлах Ni значительно меньше, что свидетельствует о более итинерантном характере магнетизма. Теоретически и экспериментально было показано, что элементы, не образующие стабильных объемных химических соединений, способны образовывать поверхностные соединения – например, Cu и В образуют поверхностный борид Cu8B14. Это обстоятельство существенно расширяет возможности создания, например, новых катализаторов на основе наноматериалов, реализующих недостижимые в объемных фазах химические составы. Использование недавно созданного метода для предсказания стабильных наночастиц/молекул показало особую устойчивость борных наночастиц Bn с четным числом атомов бора, и было применено к углеводородным молекулам C-H (где обоснована ранее известная «странная» стабильность магнитного углеводорода С13Н9). Мы обнаруживаем, что низкоразмерные материалы могут иметь неожиданные химические составы (например, двумерное соединение Cu8B14, замечательное потому, что Cu и B не образуют объемных соединений) и неожиданный магнетизм (например, некоторые низкоэнергетические 2D-модификации бора магнитны) - что значительно расширяет палитру материалов, которые возможно создать и использовать. В рамках данного проекта были созданы новые, более совершенные, модели твердости и трещинностойкости – ключевых механических свойств. Эти модели (в отличие от всех предшествующих) корректно предсказывают свойства ауксетиков (материалов с отрицательным модулем Пуассона). Поиск материалов с высокой твердостью и трещинностойкостью выявил особые свойства TiB2, CrB4, WB5, ReB2. Важные результаты получены по высокотемпературной сверхпроводимости в гидридах: в частности, ThH10 (ранее предсказанный нами как высокотемпературный сверхпроводник) синтезирован при высоком давлении, и для него измерена сверхпроводимость при Тс=161 К; также синтезирован ThH9 c Tc=146 K, и это одни из самых высокотемпературных сверхпроводников. Еще более высокотемпературная сверхпроводимость, с Тс=224 К, экспериментально достигнута и изучена теоретически и экспериментально для синтезированного YH6. Была найдена связь сверхпроводимости гидридов с положением гидрид-образующего металла в таблице Менделеева, что облегчит поиск новых сверхпроводников – например, в тройных системах.

 

Публикации

1. - Получен рекордный ториевый сверхпроводник Индикатор, статья от 7.11.2019 (год публикации - ).

2. - Ученые сделали модель описания твердости материалов более универсальной Индикатор, статья от 14.10.2019 (год публикации - ).

3. - Предсказанный в прошлом году высокотемпературный сверхпроводник успешно синтезирован Полит.ру, статья от 8.11.2019 (год публикации - ).

4. - Победитель победита N+1, статья от 30.09.2019 (год публикации - ).

5. - Thorium Superconductivity: New High-Temperature Superconductor Discovered Sci. Tech. Daily, статья от 8.11.2019 (год публикации - ).

6. Аллахари З., Оганов А.Р. Nonempirical definition of Mendeleev numbers: organizing the chemical space Scienitifc Reports, - (год публикации - 2020).

7. Аллахари З., Оганов А.Р. Coevolutionary search for optimal materials in the space of all possible compounds. NPJ Computational Materials, - (год публикации - 2020).

8. Дун С., Хоу Ц., Кун Ц., Цуи Х., Ли Я., Оганов А.Р., Чжен Х., Чжоу С., Ван Х. Predicted lithium oxide compounds and superconducting low-pressure Physical Review B, 100, 14, 144104 (год публикации - 2019).

9. Квашнин А.Г., Аллахари З., Оганов А.Р. Computational discovery of hard and superhard materials Journal of Applied Physics, 126, 4, 040901 (год публикации - 2019).

10. Кошкаки С.Р., Аллахари З., Оганов А.Р., Соложенко В.Л., Тихонов Е.В., Блинов И.В., Цянь Г., Половов И.Б., Максимцев К.В., Мухамадеев А.С., Чулкин А.В., Королев А.В., Мушников Н.В., Ли Н. Computational prediction of new magnetic materials. NPJ Computational Materials, - (год публикации - 2020).

11. Мажник Е., Оганов А.Р. A model of hardness and fracture toughness of solids Journal of Applied Physics, 126,12, 125109 (год публикации - 2019).

12. Мацко Н. Formation of normal surface plasmon modes in small sodium nanoparticles. Physical Review B, - (год публикации - 2020).

13. Наумова А.С., Лепешкин С.В., Оганов А.Р. Hydrocarbons under pressure: phase diagrams and surprising new compounds in the C-H system Journal of Physical Chemistry С, 123, 33, 20497-20501 (год публикации - 2019).

14. Новоселов В.Ю., Коротин Д.М., Шориков А.О., Оганов А.О., Анисимов В.И. Interplay between the Coulomb interaction and hybridization in Ca and anomalous pressure dependence of the resistivity JETP Letters, 109, 6, 387-391 (год публикации - 2019).

15. Новоселов Д., Коротин Д.М., Шориков А.О., Оганов А.Р., Анисимов В.И. Weak Coulomb correlations stabilize the electride high-pressure phase of elemental calcium Scientific Reports, - (год публикации - 2020).

16. Оганов А.Р., Пикард К.Д., Жу Ц., Нидс Р.Д. Structure prediction drives materials discovery Nature Reviews Materials, 4,5, 331-348 (год публикации - 2019).

17. Поздняков С., Оганов А.Р., Мазитов А., Фролов Т., Круглов И., Мажник Е. Fast general two- and three-body interatomic potential NPJ Computational Materials, готовится к отправке в редакцию (год публикации - 2020).

18. Семенок Д.В., Квашнин А.Г., Иванова А.Г., Свитлык В., Фоминский В.Ю., Садаков А.В., Соболевский О.А., Пудалов В.М., Троян И.А., Оганов А.Р. Superconductivity at 161 K in thorium hydride ThH10: synthesis and properties Materials Today, - (год публикации - 2019).

19. Семенок Д.В., Круглов И.А., Савкин И.А., Квашнин А.Г., Оганов А.Р. On Distribution of Superconductivity in Metal Hydrides Current Opinion in Solid State and Materials Science, - (год публикации - 2020).

20. Троян И.А., Семенок Д.В., Квашнин А.Г., Иванова А.Г., Пракапенка В.Б., Гринберг Э., Гаврилюк А.Г., Любутин И.С., Стружкин В.В., Оганов А.Р. Synthesis and Superconductivity of Yttrium Hexahydride 𝐼𝑚3̅𝑚-YH6 . Nature Physics, - (год публикации - 2020).

21. Чжан Ц., Макмагон Дж.М., Оганов А.Р., Ли С., Дун Х., Ван Ш. High-temperature superconductivity in the Ti-H system at high pressures. Physical Review B, - (год публикации - 2020).

22. Чжоу Д., Семенок Д.В., Дуан Д., Сие Х., Чень В., Ли С., Лю Б., Оганов А.Р., Цуи Т. Superconducting praseodymium superhydrides Science Advances, - (год публикации - 2019).

23. Чжу М., Вен С., Гао Г., Дун С., Лин Л., Ван В., Чжу Ц., Оганов А.Р., Дун С., Тьянь Й., Чжоу С., Ван Х. Magnetic borophenes from an evolutionary search PHYSICAL REVIEW B, 99, 20, 205412 (год публикации - 2019).

24. Юе Ч., Вен С., Гао Г., Оганов А.Р., Дун С., Шао С., Ван С., Сунь Ц., Сю Б., Ван Х., Чжоу С., Тянь Й. Discovery of copper boride on Cu(111) Nature Communications, - (год публикации - 2020).


Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Данный проект привел к ряду важнейших результатов и существенному развитию методов вычислительного дизайна материалов. Отметим следующие результаты: 1. Методологические результаты: ускорение алгоритма USPEX за счет новых вариационных операторов и генераторов структур. Опубликована новая версия программы USPEX и проведена школа по ее использованию. Создание варианта USPEX для предсказания структур при конечных температурах (это потребовало создания быстрого метода расчета свободных энергий). Создан метод для быстрого расчета термоэлектрических свойств (он имплементирован в нашей программе AICON). В нашей программе AMULET реализовано зарядовое самосогласование для метода DFT+DMFT. Cоздана модель машинного обучения для предсказания механических свойств кристаллов (модули сжатия и сдвига, твердость, трещинностойкость). Опубликован Менделеевский Поиск – новый метод для предсказания материалов с нужными свойствами из всех возможных соединений. Для этого потребовалось определить «химическое пространство» в терминах «менделеевских чисел» - введенной Д. Петтифором и уточненной нами последовательности химических элементов с максимально плавным изменением свойств. 2. Теоретические предсказания новых высокотемпературных сверхпроводников и их свойств были подтверждены для ряда новых соединений, образующихся под давлением: ThH10 (эксперимент дает критическую температуру сверхпроводимости Тс = 161 К), YH6 (экспериментальная Тс = 224 К), (Y,La)H6 (экспериментальная Тс = 253 К). Найдена связь между температурой сверхпроводимости гидрида и положением гидридообразующего элемента в таблице Менделеева. 3. Теоретическое предсказание и экспериментальный синтез новых экзотических гидридных соединений, образующихся под давлением: PrH9, NdH7, NdH9, Eu8H46, EuH9, BaH12, CeH9. Теоретически предсказаны новые сверхпроводящие гидриды Ti2H13 и TiH22 (Tc до 150 К), LaH16 (Tc до 156 К). 4. Доказано, что алмаз (а также гексагональный алмаз) является наиболее твердым из всех возможных веществ. 5. Изучение системы С-H-N-O при высоких давлениях и температурах показало, что при температурах и давлениях недр Нептуна и Урана (и для соответствующих им составов) будет идти реакция образования алмаза. Изучены кардинальные изменения химического поведения этих элементов в экстремальных условиях и образование новых типов молекул и ионов. 6. Теоретически предсказана и экспериментально подтверждена новая псевдогексагональная двумерная фаза NaCl, образующаяся на алмазной подложке. 7. Обнаружено, что сильная электронная локализация в электридах может приводить к сильным электронным корреляциям. Так, переход Мотта изолятор-металл в бетa-Yb5Sb3 происходит исключительно на электридных состояниях. Воспроизведены структурные фазовые переходы в Ca, недоступные в одночастичных приближениях. Продемонстрированы антиферромагнитные флуктуации межузельных электронов в двумерном Ca2N и нульмерном бета-Yb5Sb3 электридах. Обнаружены локализованные магнитные моменты в кристаллических пустотах с большим временем жизни в бета-Yb5Sb3. 8. Предсказаны ранее неизвестные фториды меди Cu2F5, CuF3. Мы показали, что обнаруженные фториды меди являются сильно коррелированными соединениями и изоляторами с переносом заряда. Тщательное сравнение электронной структуры этих систем с электронной структурой классического ВТСП La2CuO4 позволяет предположить, что легированные CuF3 и Cu2F5 могут демонстрировать высокотемпературную сверхпроводимость с тем же механизмом, что и в купратах. 9. Были предсказаны стабильные и близкие к стабильности сокристаллы взрывчатых веществ – например, HMX:CL-20. Такие сокристаллы могут обладать пониженной чувствительностью (то есть повышенной безопасностью), в то же время имея очень высокую калорийность. 10. Опубликованы 19 статей по данному проекту в международных научных журналах (в основном в журналах Q1), еще 3 статьи приняты в печать.

 

Публикации

1. - Российские ученые создали метод картирования химического пространства gazeta.ru, 05/11/2020 (год публикации - ).

2. - Российские химики научились предсказывать материалы с любыми свойствами ТАСС Наука, 14/05/2020 (год публикации - ).

3. - Новый алгоритм выбирает лучшие материалы из бесконечного множества Популярная Механика, 14/05/2020 (год публикации - ).

4. - В России создан «невозможный» материал для новых сверхпроводников CNews, 04/03/2020 (год публикации - ).

5. А.Г. Квашнин, К. Тантардини, А.А, Закарян, Ю.А. Квашнина, А.Р. Оганов Computational search for new W-Mo-B compounds Chemistry of Materials, 32, 16, 7028–7035 (год публикации - 2020).

6. Аллахьяри З., Оганов А.Р. Coevolutionary search for optimal materials in the space of all possible compounds npj Computational Materials, volume 6, article number: 55 (год публикации - 2020).

7. Аллахьяри З., Оганов А.Р. Nonempirical definition of Mendeleev numbers: organizing the chemical space Physical Chemistry, том 124, стр. 23867-23878 (год публикации - 2020).

8. В. Чен, Д.В. Семенок, А.Г. Квашнин , С. Хуанг, И.А. Круглов, М. Галассо, Х. Сонг, Д. Дуан, А.Ф. Гонгчаров, В.Б. Пракапенка, А.Р. Оганов, Т. Цуи Synthesis of molecular metallic barium superhydride: pseudocubic BaH12 Nature Communications, - (год публикации - 2020).

9. Д. Жоу, Д.В. Семенок, Д. Дуан, Х. Сие, В. Чен, С. Хуанг, К. Ли, Б. Лиу, А.Р. Оганов, Т. Цуи Superconducting praseodymium superhydrides Science Advances, 6, 9, eaax6849 (год публикации - 2020).

10. Д. Жоу, Д.В. Семенок, Х. Сие, С. Хуанг, Д. Дуан, А. Аперис, П.М. Оппенеер, М. Галассо, А.И. Карцев, А.Г. Квашнин, А.Р. Оганов, Т. Цуи High-Pressure Synthesis of Magnetic Neodymium Polyhydrides Journal of American Chemical Society, 142, 6, 2803–2811 (год публикации - 2020).

11. Д.В. Семенок, А.Г. Квашнин, А.Г. Иванова, В. Ситлюк, В.Ю. Фоминский, А.В. Садаков, О.А. Соболевский, В.М. Пудалов, И.А. Троян, А.Р. Оганов Superconductivity at 161K in thorium hydride ThH10: Synthesis and properties Materials Today, 33, 36-44 (год публикации - 2020).

12. Д.В. Семенок, Д. Жоу, А.Г. Квашнин, С. Хуанг, М. Галассо, И.А. Круглов, А.Г. Иванова, А.Г. Гаврилюк, В. Чен, Н.В. Ткаченко, А.И. Болдырев, И.А. Троян, А.Р. Оганов, Т.Цуи Novel Strongly Correlated Europium Superhydrides Journal of Physical Chemistry Letters, 12,32-40 (год публикации - 2021).

13. Д.В. Семенок, И.А. Круглов, И.А. Савкин, А.Г. Квашнин, А.Р. Оганов On Distribution of Superconductivity in Metal Hydrides Current Opinion in Solid State and Materials Science, 24, 2, 100808 (год публикации - 2020).

14. Круглов И.А., Семенок Д.В., Шежняк Р., Врона И.А., Акаши Р., Давари Есфахани М.М., Дуан Д., Цуи Т., Квашнин А.Г., Оганов А.Р. Superconductivity of LaH10 and LaH16 polyhydrides Phys. Rev. B., 101, 024508 (год публикации - 2020).

15. Мажник Е., Оганов А. Р. Application of machine learning methods for predicting new superhard materials Journal of Applied Physics, - (год публикации - 2020).

16. Миао Н., Ван Ж, Гонг Я., Ву Ж., Ниу Х., Ван С., Ли К., Оганов А.Р., Тада Т., Хосоно Х. Computational prediction of boron-based MAX phases and MXene derivatives Chemistry of Materials, 32, 16, 6947-6957 (год публикации - 2020).

17. Новоселов Д., Коротин Д., Шориков A.O., Оганов А.Р., Анисимов В.И. . Weak Coulomb correlations stabilize the electride high-pressure phase of elemental calcium J. Phys.: Cond. Matt., 32 445501 (год публикации - 2020).

18. Пахнова М., Круглов И., Янилкин А., оганов А.Р. Search for stable cocrystals of energetic materials using the evolutionary algorithm USPEX Royal Society of Chemistry, том 22, стр 16822-16830 (год публикации - 2020).

19. Тихомирова К.А., Тантардини К., Суханова Е.В., Попов З.И., Евлашин С.А., Тархов М.А., Жданов В.Л., Дудин А.А., Оганов А.Р., Квашнин Д.Г., Квашнин А.Г. Exotic two-dimensional structure: the first case of hexagonal NaCl Journal of Physical Chemistry Letters, - (год публикации - 2020).

20. Чжан Дж., МакМахон Дж.М. Оганов А.Р., Ли Х.Ф., Донг Х., Донг Х.Ф., Ван С.Н. High- temperature superconductivity in the Ti-H system at high pressures Phys. Rev. B, B101, 134108 (год публикации - 2020).

21. Чжоу Д., Семенок Д.В., Дуань Д., Се Х., Чен В., Хуан Х., Ли Х., Лю Б., Оганов А.Р., Цуй Т. Superconducting praseodymium superhydrides Science Advances, Vol. 6, no. 9, eaax6849 (год публикации - 2020).

22. Чжоу Д., Семенок Д.В., Се Х., Хуан Х., Дуан Д., Аперис А., Открыватель П.М., Галассо М., Карцев А.И., Квашнин А.Г., Оганов А.Р., Цуй Т. High-pressure synthesis of magnetic neodymium superhydrides J. Am. Chem. Soc., V. 142, P. 2803−2811 (год публикации - 2020).

23. Шориков А.О., Скорняков С.Л., Анисимов В.И., Оганов А.Р. Electronic correlations in uranium hydride UH5 under pressure Phys.-Cond. Matt., - (год публикации - 2020).