Глава 707. Новое направление исследований квантовая химия •
С другой стороны, далеко за Атлантическим океаном, в Германии, в городе Штутгарт, в Институте твердого тела Макса Планка.
В лаборатории профессор средних лет, одетый в аккуратный лабораторный халат, проводил различные экспериментальные испытания литий-серной батареи в соответствии с процедурой.
Как филиал Института Макса Планка, в сочетании с всегда строгим и серьезным стилем работы немцев, а также с большим вниманием к деталям и точности экспериментов, научный потенциал и академическая репутация Института твердого тела Планка не вызывают сомнений.
«Кац, готовы ли экспериментальные данные датчика наклонной волоконно-оптической брэгговской решетки (TFBG)?»
В лаборатории профессор средних лет Хони Свонсон, обработав образец литий-серной батареи, спросил научного ассистента в другом углу лаборатории.
«Только что закончил, профессор», -
быстро ответил молодой научный ассистент, услышав вопрос.
«Распечатайте мне копию», - пошевелил губами профессор Свонсон, включил экспериментальное испытательное оборудование и начал новый раунд испытаний.
«Хорошо, профессор», -
быстро ответил молодой научный ассистент, несколько раз щелкнул мышью по компьютеру и быстро вышел.
Вскоре он вернулся с несколькими тонкими листами отчета об экспериментальных данных.
Хони Свонсон взял их и внимательно просмотрел.
Эксперимент с датчиком наклонной волоконно-оптической брэгговской решетки (TFBG) — это самая передовая технология обнаружения в химическом сообществе. В настоящее время существует всего несколько исследовательских институтов или лабораторий, которые могут применять это экспериментальное оборудование и технологию.
Это новая технология обнаружения, которая отслеживает и контролирует изменения связи электролит-электрод в литий-серных батареях путем мониторинга температуры и показателя преломления, а также доказывает, что путь зарождения и кристаллизация Li2S и серы определяют циклические характеристики, путем количественного определения концентрации серы в электролите.
По сравнению с традиционной технологией обнаружения литий-серных батарей, эта новая технология обнаружения может лучше и полнее понять внутренние изменения литий-серных батарей в экспериментах по зарядке и разрядке. Она также может лучше выявить корреляцию между растворением/осаждением полисульфидов и снижением емкости.
«Профессор, этот профессор Сюй действительно решил проблему диффузии полисульфидных соединений и челночного эффекта в литий-серных батареях?»
В лаборатории, после некоторого молчания, глядя на профессора Хони Свонсона, который все еще смотрел на отчет об эксперименте, научный ассистент, наконец, не выдержал и тихо спросил.
Хотя на этот раз литий-серные батареи были разработаны не Сюй Чуанем, а независимо Институтом материалов Чуаньхай, люди, как правило, по умолчанию приписывают этот факт более известному человеку.
По сравнению с Сюй Чуанем, репутация Института материалов Чуаньхай в академическом сообществе была явно слабее.
Услышав вопрос своего ассистента и ученика, Свонсон поднял голову и спокойно сказал: «Из соображений научной строгости, боюсь, я пока не могу ответить на этот вопрос».
Услышав это, на лице ученика появилось разочарование.
Однако профессор Свонсон не остановился, и после короткой паузы он перевел взгляд на отчет об экспериментальных данных в своей руке и добавил.
«Однако... судя по текущим данным эксперимента с датчиком наклонной волоконно-оптической брэгговской решетки (TFBG), образцы, которые они прислали, действительно решили эту проблему».
Просто добавив это, Хони Свонсон больше не обращал внимания на своего ученика, а снова сосредоточил свое внимание на отчете в своей руке.
Судя по результатам испытаний, проблема диффузии полисульфидных соединений и челночного эффекта в литий-серных батареях, несомненно, была стабильно решена.
Это означало, что литий-серные батареи, которые всегда находились на стадии экспериментальной разработки, скоро выйдут из лаборатории и войдут в тысячи домов.
Для аккумуляторной промышленности и промышленности в целом это, несомненно, было резким изменением, и в некотором смысле оно могло способствовать развитию всей эпохи.
Это было просто и понятно: характеристики литий-серных батарей были достаточно превосходными!
Судя по полученным ими образцам, предварительные данные испытаний показали, что их удельная энергия достигала двух тысяч единиц массы.
Не говоря уже о других отраслях, только автомобильная промышленность претерпит революционные изменения.
Автомобили, использующие эти литий-серные батареи, можно сказать, полностью заменят традиционные автомобили с химическим топливом, и автомобили с двигателями внутреннего сгорания, которые все еще занимают определенное место, возможно, скоро полностью уйдут со сцены.
Конечно, для него главное внимание было сосредоточено не на изменениях, которые принесут литий-серные батареи, а на некоторых деталях, наблюдаемых в экспериментальных данных, и на другой технологии, ранее опубликованной Институтом материалов Чуаньхай, — «модели расчета химических материалов», которая была опубликована очень давно.
Или, скорее, на базовой теории этой «модели расчета химических материалов»!
На самом деле, еще пять или шесть лет назад, когда профессор Сюй предложил теорию модели расчета химических материалов, химическое и промышленное сообщество обратили внимание на эту область и сосредоточились на понимании соответствующих теорий и инструментов.
Это даже вызвало новую волну вычислительной химии материалов в химическом и материаловедческом сообществе.
В конце концов, по словам профессора Сюя, технология искусственной пленки SEI в то время была связана с этой теорией.
Однако со временем Институт материалов Чуаньхай, или, скорее, эта модель расчета химических материалов, не добился каких-либо значительных и выдающихся результатов, так что ажиотаж вокруг вычислительной химии материалов также утих.
В конце концов, создание точной, эффективной и общеприменимой квантовой теории и статистической теории химических реакций с учетом времени — это одна из четырех основных проблем в области химии в 21 веке, а также главная из четырех основных проблем.
И в то время профессор Сюй только начинал делать себе имя в академическом сообществе, и хотя он получил премию Филдса за решение гипотезы Ходжа благодаря своим выдающимся математическим способностям, никто не верил, что он сможет добиться результатов в совершенно другой области, которые были бы не менее значимыми, чем проблема тысячелетия.
В конце концов, над этой проблемой работали не один и не два ученых и экспериментальных учреждения, и среди них было много (более пяти) лауреатов Нобелевской премии.
Например, три лауреата Нобелевской премии 2013 года, разработавшие многомасштабные модели для сложных химических систем, например, Герхард Эртль, внесший огромный вклад в изучение химических процессов на поверхности твердых тел, и так далее.
Эти ведущие ученые не добились каких-либо прорывных исследований в решении этой проблемы, так как же молодой человек, которому в то время было всего двадцать с небольшим, мог это сделать?
Однако, судя по статье и отчету об эксперименте в его руках, «расчет химических материалов», который когда-то привлек большое внимание химического и материаловедческого сообщества, не только не закончился, но и после многих лет забвения вернулся в поле зрения академического сообщества, одним махом решив мировую проблему диффузии полисульфидных соединений.
Хони Свонсон смутно чувствовал, что «теория расчета химических материалов», созданная самим профессором Сюем, может быть не такой простой.
Передав экспериментальные испытания литий-серных батарей своему ученику, Хони Свонсон собрал некоторую информацию и вместе с ними отправился к своему наставнику Герхарду Эртлю.
Верно, его наставником был профессор Герхард Эртль, получивший Нобелевскую премию по химии в 2007 году.
Как ученый, разработавший методы углубленного изучения химии поверхности, чтобы показать полную картину поверхностных реакций, возникающих в результате различных экспериментальных процессов, Герхард Эртль имел глубокие познания в области вычислительной химии материалов.
Хотя он все еще был в добром здравии, он уже давно отошел от передовых академических исследований и жил на вилле недалеко от Института Планка Фрица Габера в Берлине.
Он был директором этого института с 1986 по 2004 год, а затем жил неподалеку. Услышав, с какой целью приехал его бывший ученик, старый профессор с полностью седыми волосами оживился.
«Математическая модель расчета химических материалов?»
Заинтересовавшись, он взял материалы и документы у своего ученика и внимательно просмотрел их.
Когда Сюй Чуань предложил эту модель и теорию, старый профессор уже ушел из химического сообщества, и хотя он слышал об этом, он не был очень хорошо знаком с ситуацией.
«Интересно, предварительное определение информации и условий, связанных с материалами химической реакции, а затем моделирование всего процесса реакции с помощью математики...»
Просматривая материалы в своей руке, Герхард Эртль сразу же увидел суть этой модели расчета химических материалов.
«Это огромный проект».
Бегло просмотрев материалы в своей руке, профессор Герхард Эртль осторожно закрыл отчет и не удержался от вздоха.
С его проницательностью, поняв суть, он, естественно, легко мог заметить недостатки, соответствующие этой теории и модели.
«Учитель, как вы думаете, возможно ли, если продолжать совершенствовать этот путь, создать точную, эффективную и общеприменимую модель химических расчетов для химии?»
Сидя напротив на диване в гостиной, Хони Свонсон не удержался и спросил.
Услышав этот вопрос, профессор Герхард серьезно задумался, а затем мягко покачал головой и сказал: «Сложно, очень сложно».
Помолчав, он продолжил: «Судя по материалам, которые вы принесли, я должен сказать, что профессор Сюй Чуань очень проницательно исследовал другой путь расчета химических материалов, создавая моделирование химических процессов с помощью большого количества экспериментальных данных в сочетании с математикой».
«Но этот метод слишком требователен, он требует не только огромного количества различных экспериментальных данных и различных химических и физических свойств каждого материала, но и чрезвычайно высоких вычислительных мощностей».
«Это очень интересный способ расчета химических материалов, который может помочь нам решить некоторые проблемы в процессе разработки химических материалов, но он вряд ли сможет создать точную, эффективную и общеприменимую модель расчета для химии».
Хони Свонсон, размышляя о способах оптимизации, спросил: «Есть ли решение, учитель?»
В гостиной профессор Герхард, услышав этот вопрос, тоже задумался.
Судя по вопросу, несомненно, это снова возвращало к исходной точке, а именно к тому, как создать точную, эффективную и общеприменимую модель расчета для химии.
Однако сложность заключалась в том, что некоторые из существующих теоретических методов все еще не могли описать сложные химические системы, не говоря уже о том, чтобы преобразовать их в математическую модель.
Пока Хони Свонсон и Герхард Эртль, учитель и ученик, размышляли о том, как создать точную, эффективную и общеприменимую модель расчета для химии.
С другой стороны, в Китае, в группе вилл у подножия горы Цзыцзинь.
Главный герой беседы учителя и ученика, Сюй Чуань, также размышлял в своем кабинете о том, как еще больше оптимизировать свою модель расчета химических материалов.
Это не было внезапной идеей. На самом деле, еще когда он создавал эту математическую модель, он прекрасно понимал недостатки и проблемы этой модели.
И впоследствии эксперт по материаловедению, академик Чжан Пинсян, и профессор Дэвид Макмиллан, заведующий кафедрой химии Принстонского университета, указывали на недостатки и проблемы этой модели.
Просто у него не было времени оптимизировать и улучшить ее.
И на этот раз разработка литий-серных батарей вновь привлекла внимание к этой модели расчета химических материалов, и Сюй Чуань почувствовал, что пришло время обновить ее теоретическую основу.
Глядя на беспорядочные черновики и различные статьи на столе, Сюй Чуань вздохнул, скрестил пальцы и подпер ими подбородок, погрузившись в размышления.
Хотя разработка материалов всегда была в центре его исследований в прошлой жизни, создание точной, эффективной и общеприменимой модели расчета для химии по-прежнему оставалось задачей, для которой, можно сказать, было трудно найти направление.
Вычислительная химия — это раздел теоретической химии, основная цель которого — использовать эффективные математические приближения и компьютерные программы для расчета свойств молекул.
Например, общая энергия, дипольный момент, квадрупольный момент, частота колебаний, реакционная способность и т. д., и использовать их для объяснения конкретных химических проблем.
Именно так Сюй Чуань и поступил при создании химической модели для Института материалов Чуаньхай.
Но это не мешало ему считать, что этот путь вряд ли удастся пройти до конца.
Потому что вычислительная сложность любого химического метода растет экспоненциально или быстрее с увеличением числа электронов.
Поэтому крупномасштабные сложные химические системы практически невозможно точно рассчитать, если только не будет разработан легендарный «квантовый компьютер», причем в зрелой системе, и в сочетании с довольно точными теоретическими методами для расчета.
Именно такой моделью расчета химических материалов и обладает в настоящее время Институт материалов Чуаньхай.
С добавлением различных вспомогательных модулей и соответствующих данных математическая модель превратилась в колосса.
Если бы не создание ранее крупного суперкомпьютерного центра, запуск этой модели был бы довольно сложной задачей.
«Если традиционная химия с трудом идет по пути вычислительной химии, то как насчет того, чтобы попробовать квантовую химию?»
Сюй Чуань, скрестив пальцы и уперев большие пальцы в подбородок, рассеянно смотрел в одну точку, а его мысли витали в другой области и направлении.
Объектом изучения химии в конечном счете являются взаимодействия между электронами, атомными ядрами и другими микроскопическими физическими объектами.
А лучший способ описать законы движения микроскопических объектов — это квантовая механика, разработанная в 1930-х годах.
Возможно, методы исследования квантовой химии лучше подходят для изучения вычислительной химии, чем традиционная теоретическая химия.
И, что более важно, квантовая химия основана на многочастичных методах и вычислительных методах.
Основы этих двух областей лежат в теории химической связи, теории матрицы плотности, теории пропагаторов, а также многоуровневой теории возмущений, теории групп, теории графов и т. д., большинство из которых относятся к области математики!
Найдя свое направление исследований, Сюй Чуань улыбнулся.
Если в традиционной химии он не был уверен в себе, то в математике никто не подходил для этого лучше, чем он!