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

Рисующие роботы Пиндара ван Армана Рисующие роботы Пиндара ван Армана

Может ли робот стать художником

Популярная механика
Симфония пейзажа Симфония пейзажа

Главная ассоциация Зальцбурга — конечно, Моцарт

Quattroruote
Кто спасет МКС Кто спасет МКС

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

Популярная механика
Памятка Аполлона: 9 научных фактов, как стать привлекательным для женщины Памятка Аполлона: 9 научных фактов, как стать привлекательным для женщины

Мы вам покажем, как вызвать у женщины восторг, опираясь на научные факты

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

Машины для работы в самых экстремальных условиях

Популярная механика
Может, пойдем ко мне? 14 вещей, которые должны быть дома до прихода девушки Может, пойдем ко мне? 14 вещей, которые должны быть дома до прихода девушки

Прочти наш список необходимых вещей в доме и проверь, все ли на месте

Playboy
Ради тишины и чистоты Ради тишины и чистоты

Корабли на электричестве покоряют фьорды Норвегии

Популярная механика
5 способов защиты от нежелательной беременности: что надежнее? 5 способов защиты от нежелательной беременности: что надежнее?

Как не допустить нежелательной беременности, возобновляя интимную жизнь

9 месяцев
Мир-кольцо Мир-кольцо

Земли в форме бублика: добро пожаловать на обруч и пончик

Популярная механика
Daewoo Nexia: взрыв из прошлого Daewoo Nexia: взрыв из прошлого

Daewoo Nexia. Как выбирать подержанную «Нексию»

АвтоМир
Ударные стройки науки Ударные стройки науки

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

Популярная механика
Изгнание доллара: к чему приведут новые санкции США Изгнание доллара: к чему приведут новые санкции США

Обещанный новый раунд санкций уже ударил по курсу рубля

Forbes
Мир завтрашнего дня Мир завтрашнего дня

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

Популярная механика
Мальчик для битья Мальчик для битья

Что делать, если вашего ребенка травят в школе

Tatler
Самая древняя Русь Самая древняя Русь

Животный мир давно минувших эпох

Популярная механика
Конфликт: почему не нужно его бояться и как получить желаемый результат? Конфликт: почему не нужно его бояться и как получить желаемый результат?

Конфликт: почему не нужно его бояться и как получить желаемый результат?

Psychologies
У Солнца под боком У Солнца под боком

О том, какие загадки должен решить меркурианский зонд

Популярная механика
«Йеллоустоун»: ковбои против индейцев 150 лет спустя «Йеллоустоун»: ковбои против индейцев 150 лет спустя

Кевин Костнер в самом диком вестерне последних лет

Esquire
Точечный старт Точечный старт

История отечественного авиаконструктора – Владимира Мясищева

Популярная механика
Вайнона Райдер: «Самое сложное – признать, что ты не в порядке» Вайнона Райдер: «Самое сложное – признать, что ты не в порядке»

Интервью с Вайноной Райдер

Psychologies
Картонная инженерия Даниеля Агдага Картонная инженерия Даниеля Агдага

Австралийский художник Даниель Агдаг делает скульптуры из картона

Популярная механика
Кинетические скульптуры Ан Су Чжина Кинетические скульптуры Ан Су Чжина

Южнокорейский скульптор Ан Су Чжин создает провокационные проекты

Популярная механика
Наука о прикосновениях Наука о прикосновениях

Белорусский стартап реализовал технологию передачи тактильных ощущений для VR

Популярная механика
Юрий Стоянов: Никогда не был везунчиком, баловнем судьбы Юрий Стоянов: Никогда не был везунчиком, баловнем судьбы

Юрий Стоянов о мечтах и планах, любимой жене и дочке

Лиза
Пока не было света Пока не было света

Предыстория солнца и солнечной системы

Популярная механика
Свежая зелень Свежая зелень

Дарья Лисиченко учит здоровому отношению к ремонту

Tatler
Яндекс.Станция Яндекс.Станция

Вот уже неделю Яндекс.Станция живет у меня дома

Популярная механика
Борис Моисеев. «Завидую Пугачевой – мне бы таких деток» Борис Моисеев. «Завидую Пугачевой – мне бы таких деток»

Борис Моисеев рассказал о любви к скандальной участнице «Дома-2»

StarHit
Прививка или смерть Прививка или смерть

Создание эффективной вакцины против ВИЧ заняло почти 40 лет

Популярная механика
Антон и Виктория Макарские. «Любовь измеряется литрами крови» Антон и Виктория Макарские. «Любовь измеряется литрами крови»

Супруги Антон и Виктория Макарские о частых ссорах и темпераменте дочери

StarHit
Открыть в приложении