Дизайн новых материалов — это революция в материаловедении, в физике и в химии. До недавнего времени материалы открывались методом проб и ошибок или с помощью каких-то счастливых происшествий. Надеяться на такие способы легкомысленно, если мы хотим открывать материалы, которые обладают нужными для нас свойствами, и открывать их систематически и быстро. В этой связи интересна возможность прогнозирования новых материалов на компьютере. Данный курс будет посвящен именно этому. Основной акцент уделяется методам предсказания с помощью компьютера различных типов материалов для практических применений, а также новых типов химических веществ и вещества планетных недр. Все эти темы в совокупности опираются на одно и то же — на революционные методы прогнозирования состояния вещества только с помощью компьютера.
Лекция 5. Запрещенные химические соединения
Рассмотрим два элемента — натрий и хлор. Натрий имеет один электрон поверх сферической заполненной оболочки типа благородного газа. Сферическая электронная оболочка типа благородного газа очень устойчива, и этот один лишний электрон не чувствует себя комфортно. Хлору не достает одного электрона для того, чтобы заполнить свою электронную оболочку, поэтому он всячески старается этот электрон откуда-то раздобыть. Когда натрий и хлор встречаются, самое естественное, если натрий отдаст свой электрон хлору. Натрий приобретет заряд +1, хлор приобретет заряд -1, и единственный способ, единственная пропорция, в которой эти два элемента могут сочетаться — это один к одному, иначе электрической нейтральности не будет.
Лекция 6. Материалы из мира низкой размерности
На поверхности твердого вещества у атомов разорвана примерно половина связей. Атомы чувствуют острую нужду восстановить эти потерянные связи. Они могут это делать различными способами: либо приближаясь к приповерхностным атомам, то есть, как бы вдавливаясь внутрь, укорачивая и усиливая еще имеющиеся, еще сохранившиеся связи, за счет этого восстанавливая баланс; либо перегруппировываясь на поверхности и образуя новые связи, которых раньше не было. И таким образом, структуры на поверхности могут совершенно кардинально отличаться от структур в объеме.
