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

Автобудущее Автобудущее

Мы находимся на пороге одних из самых быстрых перемен в работе транспорта

Популярная механика
7 главных фильмов с Роберт Де Ниро, обязательных к просмотру 7 главных фильмов с Роберт Де Ниро, обязательных к просмотру

Роберт Де Ниро — человек, без которого мы не представляем себе мужское кино

Maxim
Электрическое движение Электрическое движение

Электродвижение в яхтинге: путь к экологичной навигации

Y Magazine
Четыре мифа о том, как сохранить брак Четыре мифа о том, как сохранить брак

Советы относительно семейной жизни сыплются на пары со всех сторон

Psychologies
Униженные, оскорбленные и обиженные Униженные, оскорбленные и обиженные

Как писатели задевали близких своими произведениями

Weekend
Лучшие фотографии птиц с конкурса Bird Photographer of the Year Лучшие фотографии птиц с конкурса Bird Photographer of the Year

Лучшие фотографии птиц с конкурса Bird Photographer of the Year

Esquire
8 рецептов сытных блюд, которые не навредят твоей фигуре 8 рецептов сытных блюд, которые не навредят твоей фигуре

Как приготовить закуску, салат, суп и второе, не потратив на это кучу времени

Cosmopolitan
Трудности перевода. Как мир относится к Армении после революции Трудности перевода. Как мир относится к Армении после революции

Как мир относится к Армении после революции

Forbes
Сделка лета: сколько Галицкий заработал на продаже Смолова Сделка лета: сколько Галицкий заработал на продаже Смолова

Подробности главного трансфера лета-2018 в Российской премьер-лиге

Forbes

Esquire поговорил с чайлдфри об их отказе от рождения детей

Esquire
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
Эффект Франклина Эффект Франклина

Человек со стодолларовой купюры был гением лайф-менеджмента

Вокруг света
Опасные технологии: как распознавание лица на смартфоне может привести к глобальной катастрофе Опасные технологии: как распознавание лица на смартфоне может привести к глобальной катастрофе

Как распознавание лица на смартфоне может привести к глобальной катастрофе

Forbes
Магазины Sephora приходят в Россию! Магазины Sephora приходят в Россию!

Скоро в России появится еще одна крупная сеть косметических магазинов

Cosmopolitan
«Рояль в кустах», «Дело пахнет керосином» и еще 18 слов и выражений с интереснейшей историей происхождения «Рояль в кустах», «Дело пахнет керосином» и еще 18 слов и выражений с интереснейшей историей происхождения

Познакомься поближе со словами, которыми ты пользуешься всю жизнь.

Maxim
Конец криптосказки. Почему биткоин стоит продавать Конец криптосказки. Почему биткоин стоит продавать

Основными аргументами за продажу биткоинов остается превышение себестоимости

Forbes
Другая девушка Другая девушка

Внучка народного артиста и дочь московской красавицы Лиза Янковская

Tatler
10 самых высокооплачиваемых спортсменок мира 2018. Рейтинг Forbes 10 самых высокооплачиваемых спортсменок мира 2018. Рейтинг Forbes

Спустя год Мария Шарапова вернулась в рейтинг — на пятое место

Forbes
«Я живу одна»: какие плюсы в отсутствии соседей по квартире? «Я живу одна»: какие плюсы в отсутствии соседей по квартире?

Каково это — жить одной в квартире?

Psychologies
Отец Влада Соколовского публично извинился перед Ритой Дакотой Отец Влада Соколовского публично извинился перед Ритой Дакотой

Отец Влада Соколовского публично извинился перед Ритой Дакотой

Cosmopolitan
Дикий запад: как носить главный тренд осени (и не быть похожей на ковбоя) Дикий запад: как носить главный тренд осени (и не быть похожей на ковбоя)

Тренд на дикий запад перекочевал из прошлого сезона в новый

Cosmopolitan
Forever Ян Forever Ян

Ян Фаб­р обожает животных, и за это его все ненавидят

GQ
Самый модный макияж: 6 главных трендов наступающей осени Самый модный макияж: 6 главных трендов наступающей осени

Тренды макияжа на осень-2018

Cosmopolitan
25 ярких и небанальных идей летнего маникюра под любой образ 25 ярких и небанальных идей летнего маникюра под любой образ

Летом можно позволить себе отойти от привычных классических вариантов маникюра

Cosmopolitan
Мои года – мое богатство? Мои года – мое богатство?

Нас редко устраивает тот возраст, в котором мы находимся

Psychologies
Бирюзовые очки. Как отказ от иерархии разрушает компании Бирюзовые очки. Как отказ от иерархии разрушает компании

Если резко перейти к самоорганизации, мы получим ораву бездельников

Forbes
В Центральной Африке убили российских журналистов: главное В Центральной Африке убили российских журналистов: главное

О гибели Орхана Джемаля, Александра Расторгуева и Кирилла Радченко

Esquire
Управляющий экзоскелетом чип больше не будет гpeть мозг Управляющий экзоскелетом чип больше не будет гpeть мозг

Ученые на шаг ближе к созданию полноценного экзоскелета

Популярная механика
Обувь плюс носки: как делать можно и как нельзя Обувь плюс носки: как делать можно и как нельзя

Как сочетать носки с обувью

Cosmopolitan
Осенний марафон Осенний марафон

Что можно сделать, чтобы отпускать ребенка в школу с легким сердцем

Psychologies
Открыть в приложении