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

Без рулей и элеронов Без рулей и элеронов

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

Популярная механика
Взорвусь за еду Взорвусь за еду

О том, что некоторые муравьи умеют «взрываться», узнали около ста лет назад

GEO
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
Audi Q3: подход засчитан Audi Q3: подход засчитан

Audi Q3. Достоинства и недостатки первого поколения

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

Машины для работы в самых экстремальных условиях

Популярная механика
Фабрика счастливых людей Фабрика счастливых людей

Как возникла идея создать на месте пустыря Парк Горького

Караван историй
Метательные планеры Метательные планеры

Один из самых молодых видов авиамодельного спорта

Популярная механика
С чем носить казаки этой осенью: 3 крутых идеи на любой случай С чем носить казаки этой осенью: 3 крутых идеи на любой случай

Казаки уже сейчас можно смело окрестить главной обувью этой осени

Cosmopolitan
Кто спасет МКС Кто спасет МКС

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

Популярная механика
Фильм Роберта Родригеса, сингл Фаррелла Уильямса и другие вещи, которые мы не застанем при жизни Фильм Роберта Родригеса, сингл Фаррелла Уильямса и другие вещи, которые мы не застанем при жизни

Новая мода среди музыкантов, режиссеров и писателей

Maxim
Целого мира мало Целого мира мало

Человечеству грозит дефицит самых простых минеральных ресурсов

Популярная механика
Краснеть не придется Краснеть не придется

Как вер­нуть ли­цу ров­ный тон и здо­ро­вый вид после солнца

Glamour
Заплечных дел мастер Заплечных дел мастер

Почти бесконечный боезапас за спиной

Популярная механика
Соль фа. Что такое фашизм и почему он не нужен ни в каком виде Соль фа. Что такое фашизм и почему он не нужен ни в каком виде

Что представляет собой фашизм с философской и идеологической точки зрения

Maxim
Ракетный маневр Ракетный маневр

С S7 Space связывают надежды на развитие отечественной частной космонавтики

Популярная механика
Воздушно-капельным путем Воздушно-капельным путем

Эффективна ли гомеопатия и натуропатия?

Добрые советы
Прививка или смерть Прививка или смерть

Создание эффективной вакцины против ВИЧ заняло почти 40 лет

Популярная механика
Лучшие кроссовки июля 2018 Лучшие кроссовки июля 2018

Июльская подборка новинок вышла яркой и не слишком мейнстримной

Esquire
Инфекция жизни Инфекция жизни

Направленная панспермия в вопросах и ответах

Популярная механика
Человек с комплексом полноценности Человек с комплексом полноценности

17 августа народному артисту Олегу Табакову могло бы  исполниться 83 года

GALA Биография
Как победить хищника? Как победить хищника?

Навыки выживания, необходимые для победы над расой идеальных охотников

Популярная механика
1950: Большая стройка 1950: Большая стройка

Энциклопедия мужского стиля и образа жизни в России за последние 70 лет

Esquire
Мир завтрашнего дня Мир завтрашнего дня

Дизайн – это вовсе не то, как выглядит какой-то предмет

Популярная механика
На этот раз по-настоящему: открыто новое свойство воды На этот раз по-настоящему: открыто новое свойство воды

Физики обнаружили ранее неизвестное свойство воды, связанное с транспортом ионов

Forbes
Яндекс.Станция Яндекс.Станция

Вот уже неделю Яндекс.Станция живет у меня дома

Популярная механика
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
Незастывающее слово Незастывающее слово

Языку так тяжело в тисках учебников и словарей

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
Техпарад Техпарад

Новости мира науки

Популярная механика
«Мэнди» с Николасом Кейджем и другие главные фильмы сентября «Мэнди» с Николасом Кейджем и другие главные фильмы сентября

Прочитай наши рецензии и реши, бежать ли тебе в кинотеатр

Maxim
Открыть в приложении