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

Двойные стандарты Двойные стандарты

Стоимость антиматерии падает

Популярная механика
Армейская бедность и военная хитрость. Кто судится с Минобороны Армейская бедность и военная хитрость. Кто судится с Минобороны

Несмотря на сокращение оборонного бюджета, армия остается крупнейшим заказчиком

Forbes
Рисунки на полях Рисунки на полях

На финале лиги чемпионов УЕФА-2018 засветился робот, рисующий разметку

Популярная механика
Нечеловеческая сила Нечеловеческая сила

Восемь суперспособностей, которые люди могут позаимствовать у животных

Русский репортер
Дом во льдах Дом во льдах

История дрейфующих станций «Северный полюс» – это летопись подвига во имя науки

Популярная механика
Стартап из Санкт-Петербурга делает из школьников «цифровых джедаев» Стартап из Санкт-Петербурга делает из школьников «цифровых джедаев»

Стартап, выпускающий оборудование для кружков робототехники

РБК
Сколько можно спать? Сколько можно спать?

Еще несколько сотен лет назад европейцы спали дважды за сутки

Популярная механика
Два отца: кто главный? Два отца: кто главный?

Как выстроить отношения ребенка, отца и отчима

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

Машины для работы в самых экстремальных условиях

Популярная механика
Валентина Рубцова: «Не смогу бегать голышом в кадре» Валентина Рубцова: «Не смогу бегать голышом в кадре»

Блиц-опрос со звездой сериала «СашаТаня»

StarHit
Мир Дикого Востока Мир Дикого Востока

Как в Китае рождается медицина будущего

Популярная механика
Планета зоопарк Планета зоопарк

Интервью с директором московского зоопарка Светланой Акуловой

OK!
Мусор и ветер Мусор и ветер

Каждый из нас производит сотни килограммов отходов в год

Популярная механика
«Рояль в кустах», «Дело пахнет керосином» и еще 18 слов и выражений с интереснейшей историей происхождения «Рояль в кустах», «Дело пахнет керосином» и еще 18 слов и выражений с интереснейшей историей происхождения

Познакомься поближе со словами, которыми ты пользуешься всю жизнь.

Maxim
Инфекция жизни Инфекция жизни

Направленная панспермия в вопросах и ответах

Популярная механика
8 неожиданных и гениальных продуктов для идеального пикника 8 неожиданных и гениальных продуктов для идеального пикника

8 неожиданных и гениальных продуктов для идеального пикника

Playboy
Танки против крепостей Танки против крепостей

Миф об уничтоженных танковых армиях на улицах Берлина

Популярная механика
Как следует отвечать на 9 неудобных детских вопросов Как следует отвечать на 9 неудобных детских вопросов

Как правильно отвечать ребенку на его самые неудобные вопросы

Maxim
Техпарад Техпарад

Новости мира науки

Популярная механика
9 рекламных роликов, запрещенных на ТВ из-за чрезмерной откровенности 9 рекламных роликов, запрещенных на ТВ из-за чрезмерной откровенности

Одно из главных правил рекламы и маркетинга гласит: «Sex sells»

Maxim
Незастывающее слово Незастывающее слово

Языку так тяжело в тисках учебников и словарей

Популярная механика
Лучшие тартары на Moscow Restaurant Week: выбор шеф-поваров Лучшие тартары на Moscow Restaurant Week: выбор шеф-поваров

Столичные шефы рассказывают, куда идти и что пробовать на Moscow Restaurant Week

Esquire
Картонная инженерия Даниеля Агдага Картонная инженерия Даниеля Агдага

Австралийский художник Даниель Агдаг делает скульптуры из картона

Популярная механика
Великие и смешные: 9 неожиданных снимков знаменитостей (с историями) Великие и смешные: 9 неожиданных снимков знаменитостей (с историями)

Снимки, на которых выдающиеся люди пойманы в не­­­ти­пичной обстановке

Maxim
Кто спасет МКС Кто спасет МКС

МКС может завершить работу через шесть лет. Что будет дальше?

Популярная механика
Бывший разработчик Apple внедрил искусственный интеллект в баскетбол Бывший разработчик Apple внедрил искусственный интеллект в баскетбол

Приложение, которое помогает улучшить навыки игры в баскетбол

РБК
Имею скафандр, готов путешествовать Имею скафандр, готов путешествовать

Скафандров для других планет у человечества нет даже в перспективе

Популярная механика
Дивидендный сезон: что ждет рубль после выплат акционерам Дивидендный сезон: что ждет рубль после выплат акционерам

В августе курс рубля к доллару окажется под давлением

Forbes
Пока не было света Пока не было света

Предыстория солнца и солнечной системы

Популярная механика
Партнер-психопат: как определить и почему не стоит строить отношения? Партнер-психопат: как определить и почему не стоит строить отношения?

Девушка вспоминает приемы, с помощью которых ею манипулировал бывший супруг

Psychologies
Открыть в приложении