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

Летающий фрегат Летающий фрегат

Российский проект транспортного беспилотника с вертикальными взлетом и посадкой

Популярная механика
Что читать в сентябре: выбор Psychologies Что читать в сентябре: выбор Psychologies

Четыре книжные новинки к началу осени

Psychologies
Крейсер «Кенигсберг» в африканских водах: Паровой партизан Крейсер «Кенигсберг» в африканских водах: Паровой партизан

Эпопея немецкого рейдера «Кенигсберг» времен Первой мировой

Популярная механика
Высокотемпературный скандал: действительно ли открыта комнатная сверхпроводимость Высокотемпературный скандал: действительно ли открыта комнатная сверхпроводимость

Открытие индийских физиков грозит перевернуть энергетику

Forbes
Без рулей и элеронов Без рулей и элеронов

Можно ли обойтись без таких привычных элементов самолета, как рули и элероны?

Популярная механика
Вся правда о Хогвартсе: какой факультет в действительности самый лучший Вся правда о Хогвартсе: какой факультет в действительности самый лучший

Рассказываем обо всех факультетах Хогвартса в подробностях

Cosmopolitan
Целого мира мало Целого мира мало

Человечеству грозит дефицит самых простых минеральных ресурсов

Популярная механика
Только спокойствие: влияние стресса на кожу Только спокойствие: влияние стресса на кожу

Каких проблем с кожей можно избежать, сократив количество стресса в жизни?

Psychologies
Проект Guido Проект Guido

Ничего подобного в России прежде не строили

Популярная механика
«Держите убийцу тов. Ленина»: опубликованы документы и фото из дела о покушении на создателя СССР «Держите убийцу тов. Ленина»: опубликованы документы и фото из дела о покушении на создателя СССР

Фото с инсценировки покушения на Ленина и другое увлекательное чтиво

Maxim
Космос, глубина и радиация. Экстремальная робототехника Космос, глубина и радиация. Экстремальная робототехника

Машины для работы в самых экстремальных условиях

Популярная механика
Что взять с собой в самолет: 3 мужских комплекта ручной клади на любой случай Что взять с собой в самолет: 3 мужских комплекта ручной клади на любой случай

Путешествие на самолете давно перестало быть чем-то необычным

Playboy
Марс, пульс, температура Марс, пульс, температура

Зонд InSight: заглянуть внутрь Марса

Популярная механика
10 простых упражнений для развития навыков скорочтения 10 простых упражнений для развития навыков скорочтения

Прочти эту статью и овладей техникой скорочтения

Maxim
Механик в аду Механик в аду

Зонд AREE – никакой электроники, только старая школа и верная механика

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
Выдуманная природа Рогана Брауна Выдуманная природа Рогана Брауна

Роган Браун создает из бумаги огромные колонии вымышленных микробов

Популярная механика
Хвастуны против подхалимов: как преуспеть в работе и не устать Хвастуны против подхалимов: как преуспеть в работе и не устать

Как выстроить отношения с начальством наиболее эффективно

Forbes
Спим на уроке: обучение в состоянии осознанного сновидения Спим на уроке: обучение в состоянии осознанного сновидения

Возможно, скоро мы сможем тренироваться, не вылезая из-под одеяла, прямо во сне

Популярная механика
Нерусский дух: почему экспатов ждет провал в России Нерусский дух: почему экспатов ждет провал в России

Почему экспаты быстро перегорают в России

Forbes
Яндекс.Станция Яндекс.Станция

Вот уже неделю Яндекс.Станция живет у меня дома

Популярная механика
Вредные привычки, которые ты не замечаешь Вредные привычки, которые ты не замечаешь

Вредные привычки, которые ты не замечаешь

Cosmopolitan
Незастывающее слово Незастывающее слово

Языку так тяжело в тисках учебников и словарей

Популярная механика
«Мужчины не должны полагаться на невербальное согласие» «Мужчины не должны полагаться на невербальное согласие»

Какую злую шутку может сыграть с нами мозг

Psychologies
Техпарад Техпарад

Новости мира науки

Популярная механика
1960: Локальное потепление 1960: Локальное потепление

Страна оттаивает в лучах хрущевской оттепели

Esquire
Имею скафандр, готов путешествовать Имею скафандр, готов путешествовать

Скафандров для других планет у человечества нет даже в перспективе

Популярная механика
Тяжелая артиллерия. Зачем Путин высказался о пенсионной реформе Тяжелая артиллерия. Зачем Путин высказался о пенсионной реформе

Градус раздражения понизили, не ставя под сомнение необходимость реформы

Forbes
Конец всему Конец всему

Несколько вариантов сценария будущего для Вселенной

Популярная механика
Андрей Белоусов в образе «совы-стратега» Андрей Белоусов в образе «совы-стратега»

Что случится, если будет принято решение об изъятии «сверхдоходов» у металлургов

СНОБ
Открыть в приложении