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

Мир завтрашнего дня Мир завтрашнего дня

Дизайн – это вовсе не то, как выглядит какой-то предмет

Популярная механика
Семь редких качеств по-настоящему счастливых людей Семь редких качеств по-настоящему счастливых людей

Ключи от счастья существуют — это не сказка, а серьезные научные факты

Psychologies
Незастывающее слово Незастывающее слово

Языку так тяжело в тисках учебников и словарей

Популярная механика
Андрей Григорьев-Апполонов: «Боюсь накосячить перед любимой» Андрей Григорьев-Апполонов: «Боюсь накосячить перед любимой»

Рыжий «Иванушка» откровенно рассказал о своих фобиях

StarHit
Метательные планеры Метательные планеры

Один из самых молодых видов авиамодельного спорта

Популярная механика
Наследники Партенопеи Наследники Партенопеи

Портные рассказали об особенностях их стиля

The Rake
Возвращение «Индейца» Возвращение «Индейца»

Прошлое и настоящее мотоцикла Indian

Популярная механика
Исчерпывающий гид по борьбе с жарой Исчерпывающий гид по борьбе с жарой

Ты сможешь с комфортом пережить глобальное потепление благодаря этим советам

Maxim
Заплечных дел мастер Заплечных дел мастер

Почти бесконечный боезапас за спиной

Популярная механика
Сложное кино Сложное кино

Маленькая студия Lateral Summer делает фильмы в передовых форматах

РБК
Дело жизни Казуаки Харады Дело жизни Казуаки Харады

Японский художник Казуаки Хараде нашел свое дело почти случайно

Популярная механика
Великие и Ужасные: 13 незабываемых сцен из фильмов Тима Бертона Великие и Ужасные: 13 незабываемых сцен из фильмов Тима Бертона

«Самые-самые» моменты «самых-самых» фильмов Тима Бертона

Playboy
Сколько можно спать? Сколько можно спать?

Еще несколько сотен лет назад европейцы спали дважды за сутки

Популярная механика
Образ под ключ: 6 мастхэвов осени, которые выручат в любой ситуации Образ под ключ: 6 мастхэвов осени, которые выручат в любой ситуации

Как выглядеть стильно и современно этой осенью

Cosmopolitan
Проект Guido Проект Guido

Ничего подобного в России прежде не строили

Популярная механика
Тело говорит Тело говорит

Татуировки хоть и стали общим местом, остаются делом сугубо личным

Glamour
Как победить хищника? Как победить хищника?

Навыки выживания, необходимые для победы над расой идеальных охотников

Популярная механика
Generation Z Generation Z

Ольга Карпуть, владелица «KM 20», рассказывает, почему все говорят о поколении Z

OK!
Квантовое превосходство Квантовое превосходство

В IT сложилась предреволюционная ситуация

Популярная механика
Сбитый счетчик Сбитый счетчик

Полгода назад обнаружили место, которое назвали кладбищем такси

Esquire
Целого мира мало Целого мира мало

Человечеству грозит дефицит самых простых минеральных ресурсов

Популярная механика
Школьная пора Школьная пора

Интервью с актрисой Александрой Ребенок, создающей одежду для школьников

OK!
Шепот, который убивает Шепот, который убивает

Ни одна винтовка не способна проделывать такие трюки и оставлять такие отверстия

Популярная механика
Открыт грибок, превращающий насекомых в «зомби» Открыт грибок, превращающий насекомых в «зомби»

Биологи из Калифорнии открыли грибок, проникающий в мозг плодовых мушек-дрозофил

Популярная механика
Прививка или смерть Прививка или смерть

Создание эффективной вакцины против ВИЧ заняло почти 40 лет

Популярная механика
Мечтать не вредно Мечтать не вредно

Волосорост, бюсторегулятор и другие изобретения, о которых мечтает женщина

Домашний Очаг
Пока не было света Пока не было света

Предыстория солнца и солнечной системы

Популярная механика
Кошелек или жизнь? Кошелек или жизнь?

Кто из них лучше: марокканец Renault Dokker или турецкий «итальянец» Fiat Doblo

Quattroruote
Новая бронетанковая доктрина Новая бронетанковая доктрина

О зарождении новой бронетанковой доктрины

Популярная механика
С тобой не соскучишься! С тобой не соскучишься!

Даже самый замечательный мужчина может оказаться консерватором в плане свиданий

Лиза
Открыть в приложении