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

Пламенные моторы будущего Пламенные моторы будущего

Интервью с генеральным директором ЦИАМ Михаилом Гординым

Популярная механика
Как понять язык собаки: Краткий человеко-собачий словарь Как понять язык собаки: Краткий человеко-собачий словарь

Пришло время заняться изучением невербального языка твоего пса

Maxim
Рисунки на полях Рисунки на полях

На финале лиги чемпионов УЕФА-2018 засветился робот, рисующий разметку

Популярная механика
В понедельник похож на зомби? 6 экспресс-методов вернуть себе свежий вид В понедельник похож на зомби? 6 экспресс-методов вернуть себе свежий вид

Если вчера было очень хорошо, то сегодня будет как-то не очень

Playboy
Живые огни Живые огни

К растительным настольным лампам и деревьям-фонарям ведет несколько путей

Популярная механика
Поворот к лесу Поворот к лесу

Правительство всерьез взялось за развитие деревянного домостроения

Огонёк
Нашествие Нашествие

Кролики-убийцы и другие животные-захватчики

Популярная механика
Ты всегда этого ждал! Лучшие костюмы (и где их купить) и лучшие машины Бонда Ты всегда этого ждал! Лучшие костюмы (и где их купить) и лучшие машины Бонда

Идрис Эльба все же не будет Джеймсом Бондом, как выяснилось вчера

Playboy
Инфекция жизни Инфекция жизни

Направленная панспермия в вопросах и ответах

Популярная механика
Сильная девочка Сильная девочка

Анна Плетнёва представила в новом клипе свою старшую дочь Варю

OK!
Небо для катамаранов Небо для катамаранов

Современные самолеты построены по так называемой нормальной схеме

Популярная механика
«Развожусь и увольняюсь»: не спешите все рушить «Развожусь и увольняюсь»: не спешите все рушить

Что стоит сделать до того, как вы решитесь на кардинальные перемены

Psychologies
Яндекс.Станция Яндекс.Станция

Вот уже неделю Яндекс.Станция живет у меня дома

Популярная механика
Красота повтора: что такое фракталы Красота повтора: что такое фракталы

Фракталы хорошо изучены и имеют многочисленные приложения в жизни

Популярная механика
Без рулей и элеронов Без рулей и элеронов

Можно ли обойтись без таких привычных элементов самолета, как рули и элероны?

Популярная механика
Что носили мужчины на этой неделе Что носили мужчины на этой неделе

Стильные сочетания от Канье Уэста и других

GQ
Наука о прикосновениях Наука о прикосновениях

Белорусский стартап реализовал технологию передачи тактильных ощущений для VR

Популярная механика
7 мистических звуков и сигналов, природу которых никто не раскрыл 7 мистических звуков и сигналов, природу которых никто не раскрыл

Если ты не из слабонервных, хватай наушники и слушай

Cosmopolitan
Точечный старт Точечный старт

История отечественного авиаконструктора – Владимира Мясищева

Популярная механика
Дама с собачкой Дама с собачкой

Где проходит грань между привязанностью к питомцам и их очеловечиванием

Лиза
Как спрятать голову в железо Как спрятать голову в железо

История доспехов в европейском Средневековье и технология воссоздания в наши дни

Популярная механика
Пережить духоту Пережить духоту

Как пережить духоту в офисе

Лиза
Незастывающее слово Незастывающее слово

Языку так тяжело в тисках учебников и словарей

Популярная механика
Наступило время сильных женщин Наступило время сильных женщин

Поверить, что у актрисы Екатерины Климовой четверо детей, просто невозможно

Добрые советы
Имею скафандр, готов путешествовать Имею скафандр, готов путешествовать

Скафандров для других планет у человечества нет даже в перспективе

Популярная механика
Чистота жанра Чистота жанра

Дизайнер Винченцо де Котис проектирует мебель ранга высокого искусства

The Rake
Квантовое превосходство Квантовое превосходство

В IT сложилась предреволюционная ситуация

Популярная механика
Гулливеры нашего времени Гулливеры нашего времени

Сравнительный тест Chevrolet Traverse и Volkswagen Teramont

АвтоМир
Как победить хищника? Как победить хищника?

Навыки выживания, необходимые для победы над расой идеальных охотников

Популярная механика
Наташина мечта Наташина мечта

Наталья Осипова — о балете, мужчинах и Айседоре Дункан

Vogue
Открыть в приложении