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

Танки против крепостей Танки против крепостей

Миф об уничтоженных танковых армиях на улицах Берлина

Популярная механика
Юлий Гусман: «Жить без работы скучно!» Юлий Гусман: «Жить без работы скучно!»

Юлий Гусман признался, какое событие совсем недавно произошло в его семье

StarHit
Портрет генами Портрет генами

ДНК-фенотипирование позволит восстановить облик преступника по его генам

Популярная механика
Павел Воля: Павел Воля:

Простой пензенский парень Павел Воля дал эксклюзивное интервью Cosmo

Cosmopolitan
Картонная инженерия Даниеля Агдага Картонная инженерия Даниеля Агдага

Австралийский художник Даниель Агдаг делает скульптуры из картона

Популярная механика
Эффект Франклина Эффект Франклина

Человек со стодолларовой купюры был гением лайф-менеджмента

Вокруг света
Проект Guido Проект Guido

Ничего подобного в России прежде не строили

Популярная механика
Защита от солнца Защита от солнца

Будущей маме важно не переусердствовать с солнечными ваннами

9 месяцев
Пластмассовая армия Пластмассовая армия

Сборные модели с высокой степенью детализации и технической достоверности

Популярная механика
Skoda Superb II: чешское темное Skoda Superb II: чешское темное

Запас прочности Skoda Superb II

АвтоМир
Ударные стройки науки Ударные стройки науки

Национальный научный фонд (NSF) опубликовал детальную статистику за 2016 год

Популярная механика
Психолог для будущей мамы Психолог для будущей мамы

В каких случаях будущей маме стоит обращаться к психологу

9 месяцев
Нобелевский практикум Нобелевский практикум

Нобелевские премии по физике, химии, медицине и физиологии – награды за практику

Популярная механика
«Никогда не оглядываюсь назад» «Никогда не оглядываюсь назад»

Интервью с Татьяной Лютаевой

OK!
С горочки спустился С горочки спустился

Мы встретились с чемпионом России по форкроссу Иваном Кунаевым

Популярная механика
В Фейсбуке нашли, пожалуй, худшую невесту в мире В Фейсбуке нашли, пожалуй, худшую невесту в мире

Сначала она потребовала, чтобы гости заплатили за свадьбу, а потом всех прокляла

Maxim
Дом во льдах Дом во льдах

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

Популярная механика
Сильная девочка Сильная девочка

Анна Плетнёва представила в новом клипе свою старшую дочь Варю

OK!
Сколько можно спать? Сколько можно спать?

Еще несколько сотен лет назад европейцы спали дважды за сутки

Популярная механика
Няня — друг или враг. Как распознать опасного кандидата при найме Няня — друг или враг. Как распознать опасного кандидата при найме

Няня — друг или враг. Как распознать опасного кандидата при найме

Forbes
Пока не было света Пока не было света

Предыстория солнца и солнечной системы

Популярная механика
Почему Арми Хаммер такой классный? Почему Арми Хаммер такой классный?

В честь 32-летия актера Арми Хаммера рассказываем, за что мы его любим

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

Машины для работы в самых экстремальных условиях

Популярная механика
Как выбрать няню и не сойти с ума Как выбрать няню и не сойти с ума

Няне вы собираетесь доверить самое дорогое, так что ее поиск вызывает тревогу

Домашний Очаг
Яндекс.Станция Яндекс.Станция

Вот уже неделю Яндекс.Станция живет у меня дома

Популярная механика
Женщины уходят первыми Женщины уходят первыми

Женщины ждут от партнера любви, уважения, понимания

Psychologies
Прививка или смерть Прививка или смерть

Создание эффективной вакцины против ВИЧ заняло почти 40 лет

Популярная механика
Юлия Ефременкова: «Для меня пример – Ксюша Бородина» Юлия Ефременкова: «Для меня пример – Ксюша Бородина»

Ведущая «Дома‑2» на ТНТ впервые об отношениях с бывшим

StarHit
У Солнца под боком У Солнца под боком

О том, какие загадки должен решить меркурианский зонд

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
Открыть в приложении