Дизайн сверхпроводников, магнитов, взрывчатых веществ — Артем Оганов

Почему, благодаря Китаю, необходимо разрабатывать новые сильные магниты? Возможно ли создание принципиально новых взрывчатых веществ? Как с помощью машинного обучения предсказывать сверхпроводники, у которых нет теории? Об этом рассказывает профессор, PhD in Crystallography Артем Оганов.

[АлександрКладов-рв]

Изумительная манера подачи нового материала. Прекрасное владение русской речью... Спасибо.

[JIOobIkHoBeHHoe]

Наверное лучший лектор в проекте Постнаука. Это моё мнение.

[AlexanderPolomodov]

Превосходная лекция. Подача материала просто замечательная. Особенно нравится наличие иронии, как в случае с предложением сделать магнит из урана, который "наверное будет очень хорошим магнитом":)

[wmvqisj]

Интереснейшая лекция! Спасибо лектору и авторам видео! Не запускайте этот проект

[Евгений_Грабинский]

Изучаю сверхпроводимость четвертый день подряд. От того, что набрел на это видео - очень рад.🙂

[fedorovalexandr]

Очень много неточностей в подаче материала.
Например.
Магниты неодим-железо-бор обладают уникально высокими эксплуатационными свойствами не столько за счет высокой коэрцитивности, действительно, обусловленной спин-орбитальным взаимодействием, сколько за счет мелкозернистой микроструктуры.
Если мы говорим о постоянных магнитах, нужно было бы упомянуть, что они создаются из т.н. магнитотвердых материалов, в которых перемагничивание реализуется за счет двух механизмов - 1) "опрокидывания" вектора намагниченности и 2) роста областей с обратной намагниченностью.
В магнитах Nd-Fe-B реализована микроструктура, в которой размер зерна - порядка 1 мкм - соответствует теоретически расчетному критическому размеру "зародышей" обратной намагниченности. При этом повышенное содержание бора по границе таких зерен исключает рост областей обратной намагниченности и в материале реализуется только один - первый энергетически более затратный механизм перемагничивания. Отсюда и высокие значения магнитной индукции.
И такие неточности и недоговоренности в ходе всего повествования.
На чем специализируется ученый?

[АбдулмаликДжаммалиджинов]

Просто, понятно, деликатно! Особенно про Метод Научного Тыка!(да как - никто не знает что такое Электричество-но все им пользуются)

[gsmgena]

Машинное обучение - ещё одно доказательство что, отказавшись от неправильного понимания сути происходящего наукой, можно достичь большего, чем
то что предлагает эта наука...

[stanislavdidenko]

Артем, Скажите вашим теоретикам из Северной Каролины, что было бы полезно добавить в их таблицы данные по фононным кристаллам, где обнаруживается тоже при низких температурах порядка 10К интересный переход, когда колебания решетки приобретают преимущественно когерентный (а не диффузный характер) и открывается щель в фононной зонной структуре, то есть можно создавать нано решетки из дырок (с помощью электронной литографии) которые будут приводить к изменению зонной структуры для фононов в материале ниже определенной температуры. Сверхпроводимость второго рода тоже завязана на фононах - наверняка данные по фононным кристаллам и мембранам будут полезны.

[fedorovalexandr]

В наивном представлении о релятивистской природе магнетизма 4:50 лектор активно путает магнетизм электрона с магнетизмом атома и вещества. Рассказывая о том, что "внутренний электрон атома на очень большой скорости проходит мимо ядра атома", лектор предлагает делать магниты из крупных атомов, полагая, что этим увеличит магнитные свойства вещества за счет орбитального магнитного момента электронов.

Действительно, из модельных представлений, что электрон притягивается к ядру кулоновским взаимодействием, а отрывается центростремительным ускорением вращения, стабильное равновесное состояние электрона связывают со скоростью, которой он должен обладать, вращаясь на орбитали вокруг ядра, и эта скорость тем выше, чем ближе электрон к ядру. Именно из этой модели следует, что чем больше заряд ядра атома, тем выше скорость электронов на более низких орбиталях, и тем выше их орбитальный магнитный момент.

Когда говорят о магнетизме вещества, речь идет не только об орбитальных, но также спиновых эффектах и микроструктуре. И вот тут начинается самое интересное. И вылезают нестыковочки в рассуждениях лектора.

Орбитальные магнитные моменты электронов в атоме скомпенсированы. Почему - отдельный вопрос. Точнее - никто достоверно не знает, но тут как с разрешенными орбитами Бора, на которых электрон вращается без излучения энергии - просто постулирование.
Скорее всего, тут несколько моментов:
1) электрон это не шарик на орбите, как планета в солнечной системе, а, если мы говорим о круглой s-орбитали, сферическое облако, которое можно представить бесчисленными траекториями электрона по сфере вокруг ядра, где, из соображений симметрии, орбитальные магнитные моменты этих траекторий компенсируются.
2) внутренние s-оболочки - парные. Исходя из принципа Паули постулируется противоположное спиновое вращение парных электронов на одной орбитали, но нигде не рассматривается, в какую сторону двигаются эти электроны вокруг ядра - принципы Паули, Хунда и Клечевского это не регламентируют. Т.е. если, для наглядности, взять планетарную модель, неизвестно, движутся ли оба электрона по часовой стрелке вокруг ядра, против часовой стрелки, или разнонаправленно. Если разнонаправленно - компенсация орбитальных моментов тем более очевидна.
3) у атомов с тяжелыми ядрами имеется существенное количество электронов, но лишь малая их часть находится на сферических s-орбиталях, все остальные двигаются по более сложным траекториям, где структуру и взаимодействия орбитальных моментов описать еще сложнее.

Теперь о спиновом моменте.
С позиций теории ферромагнетизма (а сильный магнит – это ферро- или ферримагнетик) магнитные свойства материала обусловлены не столько орбитальными магнитными моментами, сколько спиновыми.
Спиновые моменты в материале выстраиваются по принципу Хунда. Принцип заключается в том, что при заполнении оболочки электронами, магнитные спиновые моменты на ней первоначально выстраиваются в одном направлении, а лишь затем начинают компенсироваться моментами противоположного направления при появлении на оболочке новых электронов.
Некомпенсированными, определяющими магнитные параметры материала, будут спиновые конфигурации внешних оболочек атомов. Однако, с точки зрения свойств материала (не атома или молекулы (ячейки)) это плохо: именно эти внешние оболочки в сплавах и соединениях вступают во взаимодействие (перекрываются) и деформируются, от этого меняется ориентация спиновых моментов и их результирующая.
У урана, например, аж 4 нескомпенсированных спиновых момента, в то время, как у железа - 3, но уран парамагнетик, в отличие от железа (ферромагнетик), потому что у урана 3 спиновых момента находятся на внешней (деформируемой f-орбитали), в то время, как у железа эти 3 спиновых момента находятся на 3d-орбитали, прикрытой снаружи 4s-орбиталью.
Если, применительно к тяжелому урану, говорить об увеличении магнитных характеристик материалов в результате реализации другого релятивистского механизма - роста орбитальных моментов наружных оболочек, то это тоже вопрос. Чтобы эти моменты увеличились, электронные оболочки (орбитали) должны расшириться, поскольку орбитальный магнитный момент электрона прямо пропорционален площади (т.е. радиусу) своей орбитали.
Будет ли такое расширение наблюдаться в сплаве железа с ураном? Едва ли: если говорить о изменении форм наружных орбиталей, собственно, и формирующих спиновый момент атома (d-орбитали в атоме железа и d-f-орбитали в атоме урана), тут тоже вопрос, каково это изменение: радиус урана-235 равен 1, 38 А, а радиус атома железа - 1, 58 А - в конфигурации взаимодействия наружных оболочек геометрическая роль атома урана сомнительна. А геометрические характеристики внутренних электронных оболочек едва ли как-то изменятся от такого соседства.
Если мы говорим о том, что тяжелые атомы в соединениях или сплавах стабилизируют конфигурацию нескомпенсированных спиновых магнитных моментов, то, возможно, это - так, но на этот счет нет никаких прогностических моделей и исследовательских методов, и это лишь гипотеза.

[vladistomin]

Мне больше всего понравилась идея компьютерного дискриптора при отсутствии теории и понимания сверхпроводимости керамикию

[VitalyKulikov]

Ну так дескрипторы алхимические хоть что-то предсказали? Очень интересно. Прошло 3 года, что-то да должно быть...

[fedorovalexandr]

Совершенно очевидно, что местами человек просто не понимает, о чем он говорит.
Вот, например, с 1-ой минуты об РЗМ: Китай "монополизировал все редкоземельные элементы в мире".
Что значит - монополизировал?! Да, у Китая 30 % мировых запасов РЗМ, но у России - 10 %. И это без неизученной территории Восточной Якутии (около 1 млн кв. км) и шельфа (5 млн кв. км). То есть, в России есть неизученаая территория с площадью почти равной Китаю, где есть указания на перспективные месторождения, но "Китай все монополизировал"? Да, производство РЗМ в Китае составляет более 90 % мирового, но кто заставлял Россию убить собственное производство редких металлов? И почему его не восстановить, раз уж такая задача встанет?
К чему призывы, имея мощную отечественную сырьевую базу РЗМ, отказываться от производства постоянных РЗМ- магнитов, ссылаясь на монополию Китая? Это, типа, давайте будем делать мебель из пластика, поскольку вся деревообработка сосредоточена в Китае, потому что, хоть у нас леса и завались, мы его все равно в Китай вывозим?
Купил все месторождения РЗМ в мире? Нет, это не так, хотя Китай и лезет в их разработку во всех странах.
И еще, что значит - "монополизировал, пока другие не обращали на это внимание"? Не надо все так опошлять. С 1980-х годов, после окончания т.н. "культурной революции", нищий Китай взял курс на определение направлений, которые помогли бы ему встать на одну ступень с развитыми странами мировой экономики. Среди этих направлений, помимо человеческих ресурсов была определена и уникальная база месторождений РЗМ. Известно высказывание Дэн Сяопина относящееся к началу 90-х, что на Ближнем Востоке есть нефть, а в Китае - РЗМ, и надо использовать это ресурсное преимущество. С этого момента Китай начал прикладывать колоссальные усилия, чтобы локализовать производство РЗМ и изделий из них на своей территории. Для этого он долго шантажировал отказами поставки РЗМ руды Францию, заставив ее таким образом пойти на совместное производство РЗМ у себя, скупал технологии производства сначала постоянных магнитов (США - автомобильная промышленность), а потом и микросхем. Это длилось десятилетия и незамеченным пройти никак не могло, разве что для лектора.
Что значит "все сильные магниты известные человечеству содержат редкоземельные металлы"? Да неужели? А как же Al-Ni-Co? А как же гексаферриты бария и стронция? Свойства чуть ниже, чем у РЗМ магнитов? Да, но там фактически потенциал, связанный с микроструктурной оптимизацией, позволяет удвоить эксплуатационные параметры.
То есть, надо хотя бы технологией известных материалов, а не демагогией заниматься: где обещанный постоянный магнит без РЗМ, который он обещал в этой лекции (8:30)? Сколько уже - лет 6 прошло с момента лекции? И что? Где тот волшебный магнитный материал, который его студент создал? Все изучает свойства?
Какое "релятивистское взаимодействие с крупным немагнитным атомом, дающее сильные магнитные свойства"? Товарищ не в курсе, чем ферромагнетик отличается от ферримагнетика и антиферромагнетика? При чем тут орбитальное взаимодействие?
Вот все, что он говорит, это - что? Частное мнение человека или коллективное мнение группы ученых или институтов? В СССР были сильные научная школа и производство постоянных магнитов. Почему бы не послушать тех людей? Почему чуть ли не все направления науки комментирует этот человек, причем, в отсутствии даже намека на оппонирование?
"Кто это человек? Чей это человек?" (с)

[МаксимЛеонтий]

Ключевое слово- если бы можно было изучать и эксперементировать😆
Только начни собирать составляющие для опытов с пироксидами, так сразу приедут! 😅

[МаксимЛеонтий]

Интересно, компьютерные программы учитывают при формировании расчетов новых веществ, что при создании вещества в реальности всегда присутствует изометрия??😉

[АндрейС-цч]

"монополизировал"? просто пока никто связываться с добычей особо не хочет

[Дмитрий_]

Про магниты всё очень понятно даже для гуманитария. Про взрывчатку не понял - зачем?

[chanel]

Оказывается, теория магнитов продвинулась значительно дальше чем полагал я..

[Александр-сы]

Год 21 замены китайским магнитикам нету

[fedorovalexandr]

2023 год... так что там с магнитами, которые "нашел мой студент" в далеком 2015? Ничего? Как-то сразу так и подумалось после прослушивания лектора.
И где хвалебное многоголосие "случайных" зрителей? Тоже как-то читалась связь восторгов с бюджетами.