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

Живые огни Живые огни

К растительным настольным лампам и деревьям-фонарям ведет несколько путей

Популярная механика
Жасмин с новой песней  «Похожи» покорила  iTunes Жасмин с новой песней  «Похожи» покорила  iTunes

Певица Жасмин порадовала своих поклонников свежим релизом

Cosmopolitan
Топор плывет Топор плывет

В середине прошлого десятилетия в море вышло судно странной наружности

Популярная механика
Правила жизни Эдуарда Успенского Правила жизни Эдуарда Успенского

Мнения и высказывания писателя Эдуарда Успенского

Esquire
Имею скафандр, готов путешествовать Имею скафандр, готов путешествовать

Скафандров для других планет у человечества нет даже в перспективе

Популярная механика
В Москве пройдет рэп-фестиваль Rhymes Show В Москве пройдет рэп-фестиваль Rhymes Show

Вторая часть музыкального фестиваля Rhymes Show пройдет 18 августа в Москве

Cosmopolitan
Яндекс.Станция Яндекс.Станция

Вот уже неделю Яндекс.Станция живет у меня дома

Популярная механика
На все времена На все времена

Квартира для семейной пары с дочерью

AD
Ради тишины и чистоты Ради тишины и чистоты

Корабли на электричестве покоряют фьорды Норвегии

Популярная механика
Бали Барре — ангел-хранитель традиций Hermès Бали Барре — ангел-хранитель традиций Hermès

Бали Барре — о том, как примирить традиции с инновациями в Hermès

Vogue
Без рулей и элеронов Без рулей и элеронов

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

Популярная механика
Опять двадцать пять: российские звезды, которые выглядят как школьницы Опять двадцать пять: российские звезды, которые выглядят как школьницы

Эти российские звезды больше похожи на старшеклассниц

Cosmopolitan
Целого мира мало Целого мира мало

Человечеству грозит дефицит самых простых минеральных ресурсов

Популярная механика
Как выиграть в гонке со временем: 4 упражнения Как выиграть в гонке со временем: 4 упражнения

Почему бешеный темп портит нам жизнь и как научиться замедлять время

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

Машины для работы в самых экстремальных условиях

Популярная механика
«Экологичный» деним — для тех, кто бережет планету «Экологичный» деним — для тех, кто бережет планету

Три молодых модных бренда, которые дают старым джинсам новую жизнь

Vogue
Рисунки на полях Рисунки на полях

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

Популярная механика
Семь причин поехать в Лимассол Семь причин поехать в Лимассол

Давайте выясним, почему туристы так любят город Лимассол

StarHit
Возвращение «Индейца» Возвращение «Индейца»

Прошлое и настоящее мотоцикла Indian

Популярная механика
4 типажа из сериала «Гранд», которых ты точно встретишь в реальной жизни. 4 типажа из сериала «Гранд», которых ты точно встретишь в реальной жизни.

Этих персонажей ты точно еще не раз встретишь в реальной жизни

Cosmopolitan
Техпарад Техпарад

Новости мира науки

Популярная механика
Как сделать так, чтобы ребенок вам доверял Как сделать так, чтобы ребенок вам доверял

Почему у подростков возникает желание уйти из жизни и что можно предпринять

СНОБ
Механик в аду Механик в аду

Зонд AREE – никакой электроники, только старая школа и верная механика

Популярная механика
1990: Лихие и крутые 1990: Лихие и крутые

В январе 1991 года на Пушкинской площади открылся первый «Макдоналдс»

Esquire
Сколько можно спать? Сколько можно спать?

Еще несколько сотен лет назад европейцы спали дважды за сутки

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

Запас прочности Skoda Superb II

АвтоМир
Незастывающее слово Незастывающее слово

Языку так тяжело в тисках учебников и словарей

Популярная механика
Разрешите себе себя Разрешите себе себя

Как часто мы не доверяем жизни, которая может нам предложить так много?

Psychologies
Картонная инженерия Даниеля Агдага Картонная инженерия Даниеля Агдага

Австралийский художник Даниель Агдаг делает скульптуры из картона

Популярная механика
«Держите убийцу тов. Ленина»: опубликованы документы и фото из дела о покушении на создателя СССР «Держите убийцу тов. Ленина»: опубликованы документы и фото из дела о покушении на создателя СССР

Фото с инсценировки покушения на Ленина и другое увлекательное чтиво

Maxim
Открыть в приложении