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

Инфекция жизни Инфекция жизни

Направленная панспермия в вопросах и ответах

Популярная механика
Трудный выбор, или вся правда о мясе Трудный выбор, или вся правда о мясе

Сколько можно есть мяса и колбас, чтобы не навредить здоровью

Лиза
Без рулей и элеронов Без рулей и элеронов

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

Популярная механика
Штирлиц остался Штирлиц остался

45 лет назад в СССР впервые показали фильм «Семнадцать мгновений весны»

Огонёк
Новая бронетанковая доктрина Новая бронетанковая доктрина

О зарождении новой бронетанковой доктрины

Популярная механика
10 самых высокооплачиваемых спортсменок мира 2018. Рейтинг Forbes 10 самых высокооплачиваемых спортсменок мира 2018. Рейтинг Forbes

Спустя год Мария Шарапова вернулась в рейтинг — на пятое место

Forbes
Удар с небес Удар с небес

Javelin считают наиболее совершенным легким средством против бронетехники

Популярная механика
Тело говорит Тело говорит

Татуировки хоть и стали общим местом, остаются делом сугубо личным

Glamour
Самая древняя Русь Самая древняя Русь

Животный мир давно минувших эпох

Популярная механика
Идея! Переварить диету Идея! Переварить диету

Осень – лучшее время, чтобы сесть на диету

Maxim
Рисунки на полях Рисунки на полях

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

Популярная механика
4 зарубежных марки украшений, которые тебя удивят 4 зарубежных марки украшений, которые тебя удивят

Арина Яганова передает сводку с фэшн-полей - найдены новые марки украшений

Cosmopolitan
Как спрятать голову в железо Как спрятать голову в железо

История доспехов в европейском Средневековье и технология воссоздания в наши дни

Популярная механика
Женщины уходят первыми Женщины уходят первыми

Женщины ждут от партнера любви, уважения, понимания

Psychologies
КВ-1 к маршу готов КВ-1 к маршу готов

Танки, участвовавшие в битве на Неве

Популярная механика
Тимбилдинг для дикарей Тимбилдинг для дикарей

Кор­по­ра­тив­ные по­хо­ды

GQ
Пластмассовая армия Пластмассовая армия

Сборные модели с высокой степенью детализации и технической достоверности

Популярная механика
«Ситуация острая повсеместно» «Ситуация острая повсеместно»

В России нет органа, ответственного за управление земельным фондом страны

Огонёк
Заплечных дел мастер Заплечных дел мастер

Почти бесконечный боезапас за спиной

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

Как выстроить отношения ребенка, отца и отчима

Лиза
Прививка или смерть Прививка или смерть

Создание эффективной вакцины против ВИЧ заняло почти 40 лет

Популярная механика
Главный советский кутюрье — Вячеслав Зайцев Главный советский кутюрье — Вячеслав Зайцев

Он прославился больше полувека назад

Vogue
Техпарад Техпарад

Новости мира науки

Популярная механика
Проклятие холодов. Почему Россия упорно не переселяется на юг Проклятие холодов. Почему Россия упорно не переселяется на юг

Российский «Солнечный пояс» пребывает в забвении

Forbes
Пока не было света Пока не было света

Предыстория солнца и солнечной системы

Популярная механика
Улучшайзинг наладошкинга: 26 идей для необычной фотографии Улучшайзинг наладошкинга: 26 идей для необычной фотографии

Мужские селфи тоже имеют право на существование, если они такие

Maxim
Незастывающее слово Незастывающее слово

Языку так тяжело в тисках учебников и словарей

Популярная механика
9 самых невероятных мастеров стрит-арта, которые снесут вам крышу 9 самых невероятных мастеров стрит-арта, которые снесут вам крышу

Эти люди создают масштабные проекты прямо на фасадах зданий

Playboy
Возвращение «Индейца» Возвращение «Индейца»

Прошлое и настоящее мотоцикла Indian

Популярная механика
Невезучие гении, не дожившие до славы совсем чуть-чуть Невезучие гении, не дожившие до славы совсем чуть-чуть

Со скорбью в буквах Maxim вспоминает невезучих гениев прошлого

Maxim
Открыть в приложении