Любой каприз

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 и читайте статьи из популярных журналов

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Письмо редактора Письмо редактора

Самое интересное приключение прошедшего месяца, безусловно, Исландия

Популярная механика, сентябрь'19
Лайк, шер, Алишер Лайк, шер, Алишер

Проверь, не нарушаешь ли ты этикет в соцсетях

Cosmopolitan, сентябрь'19
Плохое свидание Плохое свидание

Истории о неудачных свиданиях

Cosmopolitan, октябрь'19
Контакт | Беседа c Алексеем Пеховым, Еленой Бычковой и Натальей Турчаниновой Контакт | Беседа c Алексеем Пеховым, Еленой Бычковой и Натальей Турчаниновой

Беседа c Алексеем Пеховым, Еленой Бычковой и Натальей Турчаниновой

Мир Фантастики, сентябрь'18
Осень в Париже: 4 простых и стильных образа во французском стиле Осень в Париже: 4 простых и стильных образа во французском стиле

Французский стиль — явление поистине уникальное

Cosmopolitan, август'18
Шостакович на пожаре и еще 4 ретрофотографии, на которых происходит что-то неожиданное Шостакович на пожаре и еще 4 ретрофотографии, на которых происходит что-то неожиданное

Посмотрим, догадаешься ли ты, что именно происходит на этих фотографиях

Maxim, август'18
Ключевые элементы стиля Майкла Джексона Ключевые элементы стиля Майкла Джексона

Вклад Майкла Джексона в историю моды переоценить сложно

Esquire, август'18
Антон Хабаров. На двоих одно дыхание Антон Хабаров. На двоих одно дыхание

История любви актера Антона Хабарова

Караван историй, сентябрь'18
Кое-что о природе авторитаризма: почему у людей так легко сгибаются колени и есть ли в этом какая-нибудь польза Кое-что о природе авторитаризма: почему у людей так легко сгибаются колени и есть ли в этом какая-нибудь польза

Авторитаризм — примерно то, что происходит сейчас в России

Maxim, август'18
Читала мир как Роман Читала мир как Роман

Интервью с режиссером Ро­ма­ном Ка­ри­мо­вым

Glamour, сентябрь'18
Падение огромного метеорита в Австралии: видео Падение огромного метеорита в Австралии: видео

Вечером 28 августа над австралийским городом Перт пролетел крупный метеорит

National Geographic, август'18
Как узнать, каких витаминов не хватает организму Как узнать, каких витаминов не хватает организму

Нуждается ли организм в витаминной подпитке и какой витамин в дефиците у россиян

Men’s Health, август'18
«Человек-муравей и Оса» «Человек-муравей и Оса»

Самое то после «Мстителей»

Игромания, сентябрь'18
Надежный тыл: кто стоит за успехом влиятельных мужчин Надежный тыл: кто стоит за успехом влиятельных мужчин

Семь правил, которые помогут вам стать своему мужу верным соратником

Forbes, август'18
Экзамен для бизнесмена: три вопроса, которые должен задать себе каждый Экзамен для бизнесмена: три вопроса, которые должен задать себе каждый

Знание ключевых метрик своего бизнеса критически важно при оценке положения дел

Forbes, август'18
До и после бокала вина: фотограф показал, как меняется настроение от алкоголя До и после бокала вина: фотограф показал, как меняется настроение от алкоголя

Фотограф из Бразилии Маркус Альберти придумал забавный проект

Playboy, август'18
Audi Q3: подход засчитан Audi Q3: подход засчитан

Audi Q3. Достоинства и недостатки первого поколения

АвтоМир, август'18
9 ингредиентов для того, чтобы сделать еду летом еще вкуснее 9 ингредиентов для того, чтобы сделать еду летом еще вкуснее

9 ингредиентов для того, чтобы сделать еду летом еще вкуснее

Playboy, август'18
Плоть от плоти Плоть от плоти

Хоть режь, хоть ешь. Все, что нужно знать о мясе России

Men’s Health, сентябрь'18
Синявинские высоты: как саперная лопатка стала любимым оружием советской пехоты Синявинские высоты: как саперная лопатка стала любимым оружием советской пехоты

В тот день саперные лопатки показали свою страшную эффективность

Maxim, август'18
Прививка или смерть Прививка или смерть

Создание эффективной вакцины против ВИЧ заняло почти 40 лет

Популярная механика, сентябрь'18
Любовь до каторги довела: подлинная история Соньки - Золотой Ручки Любовь до каторги довела: подлинная история Соньки - Золотой Ручки

Биография Софьи Соломониак-Блювштейн-Штендель - одна из самых загадочных в мире

Cosmopolitan, август'18
Что смотреть: итальянские каникулы наяву и на экране Что смотреть: итальянские каникулы наяву и на экране

Топ итальянских фильмов и сериалов

Cosmopolitan, август'18
Большие каникулы в Сен-Тропе Большие каникулы в Сен-Тропе

Игрушечные пистолеты против карманников и незавидная судьба шиншилл

StarHit, август'18
Восемь муз Сержа Генсбура Восемь муз Сержа Генсбура

Восемь прекрасных женщин, которые вдохновляли Сержа Генсбура

Vogue, август'18
В Центральной Африке убили российских журналистов: главное В Центральной Африке убили российских журналистов: главное

О гибели Орхана Джемаля, Александра Расторгуева и Кирилла Радченко

Esquire, август'18
«Ему было нечего терять» «Ему было нечего терять»

Как Иван Крузенштерн возглавил первое российское кругосветное плавание

Огонёк, август'18
2010: Программа «Сегодня» 2010: Программа «Сегодня»

На момент сдачи номера 2010-е еще не закончились, но изменилось многое

Esquire, сентябрь'18
Фотовыставка «Дикая природа России» открылась в Кемерове Фотовыставка «Дикая природа России» открылась в Кемерове

Открытие фотовыставки «Дикая природа России»

National Geographic, август'18
Прописанные истины Прописанные истины

Чем живет современная фармацевтика

Men’s Health, сентябрь'18