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

Нашествие Нашествие

Кролики-убийцы и другие животные-захватчики

Популярная механика
Так сказали звезды! Что от тебя будет ждать девушка, которая прочитала гороскоп? Так сказали звезды! Что от тебя будет ждать девушка, которая прочитала гороскоп?

Как реагировать на фразы о твоем знаке зодиака

Playboy
Танки против крепостей Танки против крепостей

Миф об уничтоженных танковых армиях на улицах Берлина

Популярная механика
Золотая подлодка: история особой императорской субмарины I-52 Золотая подлодка: история особой императорской субмарины I-52

У экипажа Особой Императорской субмарины I-52 не было ни шанса

Maxim
Мир Дикого Востока Мир Дикого Востока

Как в Китае рождается медицина будущего

Популярная механика
Еда + Она: 11 блюд, которые можно взять в постель и не прогадать Еда + Она: 11 блюд, которые можно взять в постель и не прогадать

Почему бы не совместить еду и занятия любовью?

Playboy
Прививка или смерть Прививка или смерть

Создание эффективной вакцины против ВИЧ заняло почти 40 лет

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

Запас прочности Skoda Superb II

АвтоМир
Самая древняя Русь Самая древняя Русь

Животный мир давно минувших эпох

Популярная механика
На этот раз по-настоящему: открыто новое свойство воды На этот раз по-настоящему: открыто новое свойство воды

Физики обнаружили ранее неизвестное свойство воды, связанное с транспортом ионов

Forbes
С горочки спустился С горочки спустился

Мы встретились с чемпионом России по форкроссу Иваном Кунаевым

Популярная механика
Fashion-бунт: 5 брендов, которые меняют представление о моде Fashion-бунт: 5 брендов, которые меняют представление о моде

Топ-5 нетипичных модных брендов со свежим видением

Cosmopolitan
Как победить хищника? Как победить хищника?

Навыки выживания, необходимые для победы над расой идеальных охотников

Популярная механика
Kia Picanto: младшенький Kia Picanto: младшенький

Какой пример берет со своих старших братьев по марке хэтчбек Kia Picanto

АвтоМир
Нечеловеческая еда Нечеловеческая еда

Как делают сухой корм для животных

Популярная механика
Почему модные бренды не делают обувь больших размеров Почему модные бренды не делают обувь больших размеров

Модель Джесс Коул рассказала Vogue, как она находит подходящую пару туфель

Vogue
Яндекс.Станция Яндекс.Станция

Вот уже неделю Яндекс.Станция живет у меня дома

Популярная механика
Самый большой десантный корабль на воздушной подушке Самый большой десантный корабль на воздушной подушке

«Зубр» является самым большим в мире десантным кораблем на воздушной подушке

Популярная механика
Наука о прикосновениях Наука о прикосновениях

Белорусский стартап реализовал технологию передачи тактильных ощущений для VR

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

Певица Жасмин порадовала своих поклонников свежим релизом

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

Машины для работы в самых экстремальных условиях

Популярная механика
Привет, сентябрь! Привет, сентябрь!

Осень – не только школьные заботы и сплошные обязанности

Домашний Очаг
Ударные стройки науки Ударные стройки науки

Национальный научный фонд (NSF) опубликовал детальную статистику за 2016 год

Популярная механика
Штирлиц остался Штирлиц остался

45 лет назад в СССР впервые показали фильм «Семнадцать мгновений весны»

Огонёк
Техпарад Техпарад

Новости мира науки

Популярная механика
Психолог для будущей мамы Психолог для будущей мамы

В каких случаях будущей маме стоит обращаться к психологу

9 месяцев
Кто спасет МКС Кто спасет МКС

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

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
Пока не было света Пока не было света

Предыстория солнца и солнечной системы

Популярная механика
Audi Q3: подход засчитан Audi Q3: подход засчитан

Audi Q3. Достоинства и недостатки первого поколения

АвтоМир
Открыть в приложении