Skoltech-forskare har erbjudit en lösning på problemet med att söka efter material med nödvändiga egenskaper bland alla möjliga kombinationer av kemiska element. Dessa kombinationer är praktiskt taget oändliga, och var och en har en oändlig mängd möjliga kristallstrukturer; det är inte möjligt att testa dem alla och välja det bästa alternativet (till exempel, den hårdaste föreningen) antingen i ett experiment eller i silico. Den beräkningsmetod som utvecklats av Skoltech-professorn Artem R. Oganov och hans Ph.D. studenten Zahed Allahyari löser detta stora problem inom teoretisk materialvetenskap. Oganov och Allahyari presenterade sin metod i MendS-koden (står för Mendelevian Search) och testade den på superhårda och magnetiska material.

"Under 2006, vi utvecklade en algoritm som kan förutsäga kristallstrukturen för en given fast kombination av kemiska element. Sedan ökade vi dess prediktiva krafter genom att lära den att fungera utan en specifik kombination – så en beräkning skulle ge dig alla stabila sammansättningar av givna element och deras respektive kristallstrukturer. Den nya metoden tar sig an en mycket mer ambitiös uppgift:här, vi väljer varken en exakt förening eller ens specifika kemiska grundämnen – snarare, vi söker igenom alla möjliga kombinationer av alla kemiska grundämnen, med hänsyn till alla möjliga kristallstrukturer, och hitta de som har de nödvändiga egenskaperna (t.ex. högsta hårdhet eller högsta magnetisering)", säger Artem Oganov, Skoltech och MIPT professor, Fellow i Royal Society of Chemistry och medlem av Academia Europaea.

Forskarna fastställde först att det var möjligt att bygga ett abstrakt kemiskt utrymme så att föreningar som skulle ligga nära varandra i detta utrymme skulle ha liknande egenskaper. Således, alla material med speciella egenskaper (t.ex. superhårda material) kommer att samlas i vissa områden, och evolutionära algoritmer kommer att vara särskilt effektiva för att hitta det bästa materialet. Den Mendelevianska sökalgoritmen går genom en dubbel evolutionär sökning:för varje punkt i det kemiska rummet, den letar efter den bästa kristallstrukturen, och samtidigt tävlar dessa hittade föreningar mot varandra, para sig och mutera i ett naturligt urval av den bästa.

För att testa effektiviteten av den nya metoden, forskare gav sin maskin en uppgift att hitta sammansättningen och strukturen av det hårdaste materialet. Deras algoritm gav diamant, vilket gör jakten på material svårare än diamant till en återvändsgränd. Dessutom, Algoritmen förutspådde också flera dussin hårda och superhårda faser, inklusive de flesta av de redan kända materialen och flera helt nya.

Denna metod kan påskynda sökandet efter rekordartade material och inleda nya tekniska genombrott. Utrustad med dessa material, forskare kan skapa helt ny teknik eller öka effektiviteten och tillgängligheten för gamla.