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

Дом во льдах Дом во льдах

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

Популярная механика
Другая девушка Другая девушка

Внучка народного артиста и дочь московской красавицы Лиза Янковская

Tatler
Кошка на пути домой Кошка на пути домой

Кошка на пути домой. От совершенного хищника к совершенному домашнему питомцу

Популярная механика
Как научиться жить без сахара Как научиться жить без сахара

Как научиться жить в гармонии с собой, без всякой тяги к сладостям

Psychologies
Портрет генами Портрет генами

ДНК-фенотипирование позволит восстановить облик преступника по его генам

Популярная механика
Денежный удар. К чему приведет изъятие сверхдоходов бизнеса Денежный удар. К чему приведет изъятие сверхдоходов бизнеса

К чему приведет изъятие сверхдоходов бизнеса

Forbes
Пламенные моторы будущего Пламенные моторы будущего

Интервью с генеральным директором ЦИАМ Михаилом Гординым

Популярная механика
Осень в Париже: 4 простых и стильных образа во французском стиле Осень в Париже: 4 простых и стильных образа во французском стиле

Французский стиль — явление поистине уникальное

Cosmopolitan
Когда лайнер бьет хвостом Когда лайнер бьет хвостом

Авиаинциденты с «тейлстрайком»

Популярная механика
Вкусный Петербург: летний сезон в «Кококо» Вкусный Петербург: летний сезон в «Кококо»

В ресторане «Кококо» продолжается горячий летний сезон

Cosmopolitan
Топор плывет Топор плывет

В середине прошлого десятилетия в море вышло судно странной наружности

Популярная механика
Лучшие шутки дня и Бэтмен против Супермена! Лучшие шутки дня и Бэтмен против Супермена!

Первичный дайджест авторского юмора с авторской орфографией

Maxim
Кто спасет МКС Кто спасет МКС

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

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
Что естественно – то и безобразно: почему женская физиология – табу Что естественно – то и безобразно: почему женская физиология – табу

Почему нам приходится скрывать от мужчин естественные физиологические моменты

Cosmopolitan
Незастывающее слово Незастывающее слово

Языку так тяжело в тисках учебников и словарей

Популярная механика
Планета зоопарк Планета зоопарк

Интервью с директором московского зоопарка Светланой Акуловой

OK!
У Солнца под боком У Солнца под боком

О том, какие загадки должен решить меркурианский зонд

Популярная механика
Покоряются моря Покоряются моря

Телеведущий Иван Чуйков решил показать весь мир своей маме!

OK!
Нервные клетки не восстанавливаются? Нервные клетки не восстанавливаются?

Может ли мозг взрослого человека образовывать новые нейроны взамен утраченных

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

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

Esquire
Нобелевский практикум Нобелевский практикум

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

Популярная механика
1980: Скоро кончится лето 1980: Скоро кончится лето

Восьмидесятые начались с зажжения олимпийского огня на стадионе «Лужники»

Esquire
Как спрятать голову в железо Как спрятать голову в железо

История доспехов в европейском Средневековье и технология воссоздания в наши дни

Популярная механика
Почему мы совершаем ошибки? 8 книг о том, как это понять и исправить Почему мы совершаем ошибки? 8 книг о том, как это понять и исправить

Как избавиться от ошибок, при которых страдают отношения с детьми и любимыми

Psychologies
Пока не было света Пока не было света

Предыстория солнца и солнечной системы

Популярная механика
Надежда Михалкова о режиссерском дебюте, тинейджерстве и двойной жизни Надежда Михалкова о режиссерском дебюте, тинейджерстве и двойной жизни

Надежда Михалкова рассказывает, как cидится в режиссерском кресле

Vogue
Прививка или смерть Прививка или смерть

Создание эффективной вакцины против ВИЧ заняло почти 40 лет

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
Открыть в приложении