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

Интеллект для самолета Интеллект для самолета

Многофункциональная боевая машина следующего поколения

Популярная механика
Для тех, кто любит в доме порядок Для тех, кто любит в доме порядок

Практикум по уборке и оптимизации пространства

Домашний Очаг
_Не музыка еще, уже не шум _Не музыка еще, уже не шум

Как научить машину сочинять музыку и писать картины

Популярная механика
Лондон, гудбай: почему один из богатейших жителей Великобритании переезжает в Монако Лондон, гудбай: почему один из богатейших жителей Великобритании переезжает в Монако

Джеймс Рэтклифф решил эмигрировать

Forbes
Незастывающее слово Незастывающее слово

Языку так тяжело в тисках учебников и словарей

Популярная механика
Почему здорово быть «кошатником»: только научные факты Почему здорово быть «кошатником»: только научные факты

Кошки своенравны и самолюбивы, но их владельцы получают неоценимую пользу

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

Машины для работы в самых экстремальных условиях

Популярная механика
Как расстаться с девушкой и не получить по лицу: 8 незаменимых советов Как расстаться с девушкой и не получить по лицу: 8 незаменимых советов

Советы для тех случаев, когда расставание кажется чем-то очень тяжелым

Playboy
Крейсер «Кенигсберг» в африканских водах: Паровой партизан Крейсер «Кенигсберг» в африканских водах: Паровой партизан

Эпопея немецкого рейдера «Кенигсберг» времен Первой мировой

Популярная механика
Неспящие красавицы Неспящие красавицы

Что такое бессонница и как с ней бороться

Лиза
Инфекция жизни Инфекция жизни

Направленная панспермия в вопросах и ответах

Популярная механика
Губная помада: зачем она современной девушке Губная помада: зачем она современной девушке

Она была и остается самым обольстительным продуктом макияжа

Psychologies
Портрет генами Портрет генами

ДНК-фенотипирование позволит восстановить облик преступника по его генам

Популярная механика
Из вакуума в жизнь. Какими будут квартиры будущего Из вакуума в жизнь. Какими будут квартиры будущего

Как будет выглядеть жилье будущего?

Forbes
Прививка или смерть Прививка или смерть

Создание эффективной вакцины против ВИЧ заняло почти 40 лет

Популярная механика
7 мистических звуков и сигналов, природу которых никто не раскрыл 7 мистических звуков и сигналов, природу которых никто не раскрыл

Если ты не из слабонервных, хватай наушники и слушай

Cosmopolitan
Стеклянные микробы Люка Джеррама Стеклянные микробы Люка Джеррама

Героев этих произведений не разглядеть без микроскопа

Популярная механика
Имею скафандр, готов путешествовать Имею скафандр, готов путешествовать

Скафандров для других планет у человечества нет даже в перспективе

Популярная механика
Точечный старт Точечный старт

История отечественного авиаконструктора – Владимира Мясищева

Популярная механика
Земля попала в метеорный поток Персеиды Земля попала в метеорный поток Персеиды

В первой половине августа в небе хорошо виден метеорный поток Персеиды

Популярная механика
Механик в аду Механик в аду

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

Популярная механика
Сексуальное желание: как оно устроено у женщин? Сексуальное желание: как оно устроено у женщин?

Как превратить возбуждение в настоящее желание

Psychologies
Техпарад Техпарад

Новости мира науки

Популярная механика
Надувной кинотеатр и еще 7 способов прокачать дачный участок Надувной кинотеатр и еще 7 способов прокачать дачный участок

Гаджеты, которые идеально впишутся в дачный участок

Maxim
Яндекс.Станция Яндекс.Станция

Вот уже неделю Яндекс.Станция живет у меня дома

Популярная механика
Вид с воздуха на легендарную чернобыльскую «Дугу» Вид с воздуха на легендарную чернобыльскую «Дугу»

АЭС — не единственная большая советская стройка в районе Чернобыля

Maxim
Пластмассовая армия Пластмассовая армия

Сборные модели с высокой степенью детализации и технической достоверности

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
Как победить хищника? Как победить хищника?

Навыки выживания, необходимые для победы над расой идеальных охотников

Популярная механика
Может, пойдем ко мне? 14 вещей, которые должны быть дома до прихода девушки Может, пойдем ко мне? 14 вещей, которые должны быть дома до прихода девушки

Прочти наш список необходимых вещей в доме и проверь, все ли на месте

Playboy
Открыть в приложении