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

Яндекс.Станция Яндекс.Станция

Вот уже неделю Яндекс.Станция живет у меня дома

Популярная механика
Повысить свою значимость: техника изменения негативных установок Повысить свою значимость: техника изменения негативных установок

Какие установки заставляют нас занижать значимость и как это изменить

Psychologies
_Не музыка еще, уже не шум _Не музыка еще, уже не шум

Как научить машину сочинять музыку и писать картины

Популярная механика
Неприятность эту мы переживем Неприятность эту мы переживем

Как преодолеть кризис первого года семейной жизни

StarHit
Прививка или смерть Прививка или смерть

Создание эффективной вакцины против ВИЧ заняло почти 40 лет

Популярная механика
«Развожусь и увольняюсь»: не спешите все рушить «Развожусь и увольняюсь»: не спешите все рушить

Что стоит сделать до того, как вы решитесь на кардинальные перемены

Psychologies
Фантастика в открытом поле Фантастика в открытом поле

Иннополис – город, в котором нет старости

Популярная механика
Пенсионные варианты. Что скрывает государство Пенсионные варианты. Что скрывает государство

Повышения пенсионного возраста можно избежать, но правительству это невыгодно

Forbes
Целого мира мало Целого мира мало

Человечеству грозит дефицит самых простых минеральных ресурсов

Популярная механика
Готовимся к осени: 6 главных обувных трендов будущего сезона Готовимся к осени: 6 главных обувных трендов будущего сезона

Самое время приступить к обновлению осеннего гардероба

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

Эпопея немецкого рейдера «Кенигсберг» времен Первой мировой

Популярная механика
Как победить хищника? Как победить хищника?

Навыки выживания, необходимые для победы над расой идеальных охотников

Популярная механика
Очень сложная игра Очень сложная игра

Первая полезная компьютерная игра

Популярная механика
Volkswagen Touareg Volkswagen Touareg

Третье поколение Volkswagen Touareg не растеряло приключенческого духа

Quattroruote
Марс, пульс, температура Марс, пульс, температура

Зонд InSight: заглянуть внутрь Марса

Популярная механика
Зной, отеки, варикоз... Зной, отеки, варикоз...

Не секрет, что вены не любят жару, особенно, если с ними уже есть проблемы

Лиза
Ради тишины и чистоты Ради тишины и чистоты

Корабли на электричестве покоряют фьорды Норвегии

Популярная механика
Летнее кино: пять хороших французских фильмов о любви Летнее кино: пять хороших французских фильмов о любви

В последние дни лета Forbes Life призывает наверстывать упущенное

Forbes
Живые огни Живые огни

К растительным настольным лампам и деревьям-фонарям ведет несколько путей

Популярная механика
В чем богемно провести остаток лета у бассейна В чем богемно провести остаток лета у бассейна

5 модных выходов на каждые выходные до конца теплого сезона

Vogue
Ускоритель на орбите Ускоритель на орбите

Кто первым выкопал томагавк пучкового оружия, точно не известно

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

Практикум по уборке и оптимизации пространства

Домашний Очаг
Конец всему Конец всему

Несколько вариантов сценария будущего для Вселенной

Популярная механика
Ольга Бузова рассказала о чувствах к бывшему мужу Ольга Бузова рассказала о чувствах к бывшему мужу

Ольга Бузова рассказала о чувствах к бывшему мужу

Cosmopolitan
Пока не было света Пока не было света

Предыстория солнца и солнечной системы

Популярная механика
Как жизнь победила смерть Как жизнь победила смерть

Михаил Мейлах, хранитель поэзии — о Боге и времени

Русский репортер
Техпарад Техпарад

Новости мира науки

Популярная механика
«Если мне сказать «надо» — сделаю ровно наоборот!» «Если мне сказать «надо» — сделаю ровно наоборот!»

Интервью с Марией Шалаевой

OK!
Космос, глубина и радиация. Экстремальная робототехника Космос, глубина и радиация. Экстремальная робототехника

Машины для работы в самых экстремальных условиях

Популярная механика
Стоит ли искать баланс между работой и личной жизнью? Стоит ли искать баланс между работой и личной жизнью?

Возможно ли совместить работу и счастливую личную жизнь

Psychologies
Открыть в приложении