Компьютерный дизайн материалов

Популярная механикаHi-Tech

Любой каприз

Компьютерный дизайн материалов.

Текст: Роман Фишман

Прочнее стали? Легче воздуха? Электрическое сопротивление меньше, чем у меди? И чтобы без содержания дорогих металлов? Поиски новых материалов с полезными свойствами до сих пор ведутся практически вслепую, перебором сотен и тысяч синтетических и природных веществ. Однако на горизонте уже можно различить контуры того фантастического дня, когда мы сможем просто задавать нужные характеристики компьютеру – и получать готовые формулы соединений с самыми невиданными свойствами. Прозрачный и твердый? Что вам угодно?..

С конца XIX века, когда во всем мире развернулась гонка за созданием самой долговечной, безопасной и дешевой нити накаливания для электрических ламп, изобретатели опробовали тысячи материалов. Их пытались изготавливать из хлопка и платины, волокон кокосовой скорлупы и волос мужской бороды, пока, уже в ХХ веке, не остановились на тугоплавком, ярко светящемся и не особенно дорогом вольфраме. Подбор оптимальных компонентов для литий-ионных батарей занял у химиков Sony около двух десятилетий, а тефлон был синтезирован в DuPont и вовсе случайно, в процессе поиска новых хладагентов для холодильников. Конечно, многие идеи для новых веществ и материалов с полезными свойствами удается «подсмотреть» у природы, однако и такие поиски остаются делом необычайно долгим, кропотливым, во многом – делом интуиции и удачи. Но сегодня мы стоим на пороге революционных изменений.

Эти тектонические сдвиги начались еще с появления квантовой механики и работ нобелевских лауреатов 1998 года Вальтера Кона и Джона Попла, которые в 1960–1970-х годах создали вычислительные методы и модели для предсказания поведения электронов и ядер атомов. Их «квантовая химия» позволила устанавливать свойства молекул и предсказывать протекание характерных для них реакций, зная лишь химическую формулу. Ведь какими бы ни были твердость и плотность, теплопроводность или преломление света, все они определяются электронными свойствами атомов, организованных в молекулы и кристаллы. Опираясь на уравнения квантовой химии, компьютер способен рассмотреть возможные стабильные структуры и дать оценку их свойств. Быстрое развитие вычислительных машин дало этим расчетам мощь, необходимую для моделирования и перебора огромного множества вариантов. Например, структура и свойства графена были сперва исследованы виртуально и лишь затем подтверждены в экспериментах.

Формула → структура

Однако графен – случай далеко не самый сложный: его плоская решетка образована всего одним типом довольно просто упакованных атомов. По мере того как их количество и разнообразие в молекуле увеличиваются, сложность расчетов растет экспоненциально, то есть при увеличении числа атомов вдвое сложность задачи может вырасти в квадриллион раз и больше. Вплоть до середины 2000-х большинство специалистов сомневались в том, что задача предсказания структуры и свойств по формуле решаема в принципе. Даже увеличив производительность процессоров в триллион раз, мы и близко не подойдем к возможности обсчитать нужное количество вариантов, которое легко может достигать 1010000 и более. Поэтому важнейшим фактором прорыва, который произошел в последние полтора десятилетия, стало появление новых алгоритмов, позволяющих значительно упростить и ускорить вычисления.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Проект Guido Проект Guido

Ничего подобного в России прежде не строили

Популярная механика
Приметы и суеверия о беременности: есть ли разумное зерно? Приметы и суеверия о беременности: есть ли разумное зерно?

Однозначно утверждать, что все приметы глупы и беспочвенны, нельзя

9 месяцев
Незастывающее слово Незастывающее слово

Языку так тяжело в тисках учебников и словарей

Популярная механика
Как выбрать спелый арбуз? 11 проверенных методов, которые надо запомнить Как выбрать спелый арбуз? 11 проверенных методов, которые надо запомнить

Август — первый месяц сезона арбузов

Playboy
Ускоритель на орбите Ускоритель на орбите

Кто первым выкопал томагавк пучкового оружия, точно не известно

Популярная механика
Воздушно-капельным путем Воздушно-капельным путем

Эффективна ли гомеопатия и натуропатия?

Добрые советы
Космос, глубина и радиация. Экстремальная робототехника Космос, глубина и радиация. Экстремальная робототехника

Машины для работы в самых экстремальных условиях

Популярная механика
Fashion-бунт: 5 брендов, которые меняют представление о моде Fashion-бунт: 5 брендов, которые меняют представление о моде

Топ-5 нетипичных модных брендов со свежим видением

Cosmopolitan
Квантовое превосходство Квантовое превосходство

В IT сложилась предреволюционная ситуация

Популярная механика
Как понять язык собаки: Краткий человеко-собачий словарь Как понять язык собаки: Краткий человеко-собачий словарь

Пришло время заняться изучением невербального языка твоего пса

Maxim
Осколочно-фугасный ливень Осколочно-фугасный ливень

Осколочно-фугасный ливень. Рой ударных БПЛА с авиабомбами Hatchet

Популярная механика
Куда сходить в Москве и Подмосковье в августе Куда сходить в Москве и Подмосковье в августе

Самые интересные события, чтобы этот август стал незабываемым

Cosmopolitan
Знаки и смыслы Китая Знаки и смыслы Китая

Китайская иероглифика прекрасна чувствует себя даже в цифровую эпоху

Популярная механика
Покоряются моря Покоряются моря

Телеведущий Иван Чуйков решил показать весь мир своей маме!

OK!
_Не музыка еще, уже не шум _Не музыка еще, уже не шум

Как научить машину сочинять музыку и писать картины

Популярная механика
Стоит ли искать баланс между работой и личной жизнью? Стоит ли искать баланс между работой и личной жизнью?

Возможно ли совместить работу и счастливую личную жизнь

Psychologies
Конец всему Конец всему

Несколько вариантов сценария будущего для Вселенной

Популярная механика
Модель пообещала свидание десяткам парней, но разыграла их (видео очевидцев) Модель пообещала свидание десяткам парней, но разыграла их (видео очевидцев)

История, которая убьет в тебе веру в человечество

Maxim
Пламенные моторы будущего Пламенные моторы будущего

Интервью с генеральным директором ЦИАМ Михаилом Гординым

Популярная механика
Загадка русской души. Почему россияне не хотят жить долго и счастливо? Загадка русской души. Почему россияне не хотят жить долго и счастливо?

Как увеличить продолжительность жизни россиян, если они этого не хотят

Forbes
Танки против крепостей Танки против крепостей

Миф об уничтоженных танковых армиях на улицах Берлина

Популярная механика
Молниеносный шалом. История самой успешной операции Моссада по освобождению заложников Молниеносный шалом. История самой успешной операции Моссада по освобождению заложников

Ночью 4 июля 1976 года в Уганде было жарко

Maxim
Пешком по воде Пешком по воде

Далеко не все способны проплыть километр под водой

Популярная механика
Как разглядеть свою красоту Как разглядеть свою красоту

Чтобы очаровывать других, надо прежде самой обнаружить прекрасное в себе

Psychologies
Мир-кольцо Мир-кольцо

Земли в форме бублика: добро пожаловать на обруч и пончик

Популярная механика
Пески вне времени Пески вне времени

Экс­пе­ди­ция Porsche Experience в са­мую древ­нюю пу­сты­ню ми­ра

GQ
Яндекс.Станция Яндекс.Станция

Вот уже неделю Яндекс.Станция живет у меня дома

Популярная механика
Дэвид Боуэн: художник, который рисует... мухами Дэвид Боуэн: художник, который рисует... мухами

Интересно, что рассказали бы нам растения и животные, если бы умели говорить

Популярная механика
Имею скафандр, готов путешествовать Имею скафандр, готов путешествовать

Скафандров для других планет у человечества нет даже в перспективе

Популярная механика
Когда Кайя встретила Карла Когда Кайя встретила Карла

Что купить из первой коллекции Karl Lagerfeld x Kaia

Vogue
Открыть в приложении