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

Двойные стандарты Двойные стандарты

Стоимость антиматерии падает

Популярная механика
Европа зовет! Как легко и быстро оформить визу: 8 простых шагов Европа зовет! Как легко и быстро оформить визу: 8 простых шагов

Пошаговая инструкция получения визы

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

Машины для работы в самых экстремальных условиях

Популярная механика
Крым и русский судья Крым и русский судья

Почему эйфорию сменяет ропот

Русский репортер
Новая бронетанковая доктрина Новая бронетанковая доктрина

О зарождении новой бронетанковой доктрины

Популярная механика
Sugar less, party more Sugar less, party more

В Москве открылся первый бар с концепцией Skinny Drinks

Cosmopolitan
Карта дня беспилотника Карта дня беспилотника

Как города России готовятся к появлению беспилотных автомобилей

Популярная механика
6 подпольных советских миллионеров 6 подпольных советских миллионеров

О них не было статей в Forbes — для них были статьи Уголовного кодекса

Maxim
Имею скафандр, готов путешествовать Имею скафандр, готов путешествовать

Скафандров для других планет у человечества нет даже в перспективе

Популярная механика
Любовь к книгам начинается с детства: секреты воспитания Любовь к книгам начинается с детства: секреты воспитания

Психолог делится рецептом, который помог ей вырастить детей, увлеченных чтением

Psychologies
Нашествие Нашествие

Кролики-убийцы и другие животные-захватчики

Популярная механика
Как загореть красиво и безопасно для кожи Как загореть красиво и безопасно для кожи

Загореть красиво – гораздо проще, чем вы думаете

GQ
Дело жизни Казуаки Харады Дело жизни Казуаки Харады

Японский художник Казуаки Хараде нашел свое дело почти случайно

Популярная механика
10 главных ролей Ford Mustang в истории кино 10 главных ролей Ford Mustang в истории кино

В истории кино следов копыт “Мустанга” не меньше, чем в истории автопрома

Maxim
Удар с небес Удар с небес

Javelin считают наиболее совершенным легким средством против бронетехники

Популярная механика
18 фильмов первой половины 2018 года, которые ты мог пропустить 18 фильмов первой половины 2018 года, которые ты мог пропустить

Одними блокбастерами сыт не будешь

Maxim
Броня легка Броня легка

Алюминиевые сплавы давно и прочно обосновались на бронемашинах

Популярная механика
Уроки августа. Чему Россию учат кризисы Уроки августа. Чему Россию учат кризисы

Впереди у Кремля почти шесть гарантированных лет нового президентского срока

Forbes
Живые огни Живые огни

К растительным настольным лампам и деревьям-фонарям ведет несколько путей

Популярная механика
Секреты и лайфхаки для московского метро Секреты и лайфхаки для московского метро

Каждый день московским метро пользуются от 7 до 9 миллионов человек

Maxim
Дом во льдах Дом во льдах

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

Популярная механика
Семейное дело Семейное дело

На Кипр стоит поехать и взрослым, и детям

Лиза
Чистый тяжелый металл Чистый тяжелый металл

Как производят слитки драгоценных металлов

Популярная механика
Чемпион: тест Mercedes-AMG GLC 63 S Чемпион: тест Mercedes-AMG GLC 63 S

Единственный в классе среднеразмерный кроссовер с V8!

Популярная механика
Пока не было света Пока не было света

Предыстория солнца и солнечной системы

Популярная механика
Люксовый и нежный Zверь Люксовый и нежный Zверь

Аренда люксовых товаров — главный тренд будущего

GQ
Как победить хищника? Как победить хищника?

Навыки выживания, необходимые для победы над расой идеальных охотников

Популярная механика
Volkswagen Touareg Volkswagen Touareg

Третье поколение Volkswagen Touareg не растеряло приключенческого духа

Quattroruote
Квантовое превосходство Квантовое превосходство

В IT сложилась предреволюционная ситуация

Популярная механика
«Пятиминутка» особого значения «Пятиминутка» особого значения

Учимся преподносить себя на совещаниях с руководством

Лиза
Открыть в приложении