Поиск новых форм углерода давно напоминает попытку найти иголку в бесконечном стоге сена. Теория подсказывает, что устойчивых вариантов может быть очень много, но на практике ученые до сих пор открыли лишь малую часть. Теперь исследователи из Китая предложили способ заметно ускорить такой поиск с помощью искусственного интеллекта и уже нашли несколько необычных структур с редкими свойствами.
Группа под руководством Чжибиня Гао из Сианьского университета Цзяотун создала систему, которая не просто придумывает новые кристаллические формы углерода, но и сразу проверяет, насколько такие структуры устойчивы и чем могут быть полезны. Работа вышла в журнале Applied Physics Letters.
Интерес к задаче легко понять. Углерод умеет связываться с соседними атомами сразу несколькими способами, поэтому из одного и того же элемента возникают совершенно разные материалы. На одном конце спектра находится карбин с линейными цепочками атомов, на другом - алмаз с чрезвычайно прочной трехмерной решеткой. Между крайними вариантами скрывается огромная область возможных структур, где сочетаются разные типы химических связей, но перебрать такой массив вариантов обычными расчетами слишком дорого и долго.
Китайские исследователи взяли за основу CrystaLLM - языковую модель, представленную в 2024 году британскими учеными. Такая модель умеет описывать возможные кристаллические структуры в текстовой форме и предлагать кандидатов на роль новых материалов. Главная проблема раннего подхода заключалась в другом: без быстрой и точной проверки оставалось неясно, какие из найденных форм действительно стабильны и пригодны для практики.
Команда Гао добавила к генерации кандидатов замкнутый цикл проверки. Система оценивает структурную сложность с помощью меры, основанной на энтропии Шеннона, а затем шаг за шагом уточняет поиск. Такой подход позволил просеять тысячи вариантов и выйти за пределы привычных форм, где доминирует только один тип связи. Особенно исследователей интересовало плохо изученное пространство смешанных структур, где одновременно присутствуют связи типов sp, sp2 и sp3.
Результат оказался впечатляющим. Среди найденных вариантов обнаружилась сверхтвердая фаза, расчетная твердость которой даже превышает твердость алмаза. Авторы также нашли материал с необычным сочетанием свойств: теплопроводность меняется в зависимости от направления потока тепла, а очень низкая сдвиговая жесткость позволяет разным участкам кристаллической решетки смещаться относительно друг друга под нагрузкой.
Еще один интересный кандидат - гибридная фаза C12, в ячейке которой содержатся 12 атомов углерода. Такой материал сочетает металлическую проводимость с отрицательным коэффициентом Пуассона. При растяжении поперечный размер у подобных структур не уменьшается, как у большинства материалов, а, наоборот, растет. Дополнительные расчеты показали, что некоторые так называемые yne-diamond-фазы могут вести себя как узкозонные полупроводники и подойти для инфракрасной электроники или термоэлектрических устройств.
Исследователи проверили и более практичный вопрос: можно ли получить новые формы углерода в лаборатории. Расчеты показали, что устойчивость найденных структур сопоставима с устойчивостью других уже известных углеродных материалов, включая фуллерены. Часть кандидатов, по мнению авторов, удастся синтезировать поэтапно с помощью уже существующих химических методов, а самые плотные и твердые формы, вероятно, можно получить при сжатии подходящих исходных веществ под очень высоким давлением.
Работа показывает, что генеративный ИИ начинает приносить реальную пользу не сам по себе, а в связке с физическими расчетами и постоянной обратной связью. Вместо хаотичного перебора ученые получают инструмент для осмысленного поиска материалов с заранее нужными свойствами. Для углерода такой подход уже открыл дорогу к новым экзотическим фазам, а в будущем похожая схема может помочь и в разработке других перспективных веществ.
