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

Выдуманная природа Рогана Брауна Выдуманная природа Рогана Брауна

Роган Браун создает из бумаги огромные колонии вымышленных микробов

Популярная механика
Море в огне Море в огне

Лесные пожары в Аттике унесли жизни более 90 человек

Огонёк
Ударные стройки науки Ударные стройки науки

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

Популярная механика
Магия звука Магия звука

Как мантры дополняют практику йоги и как найти мантру, которая вам подходит

Yoga Journal
Ускоритель на орбите Ускоритель на орбите

Кто первым выкопал томагавк пучкового оружия, точно не известно

Популярная механика
Юбилейный Syntposium: от Тобиаса Фройнда до Кати Шилоносовой Юбилейный Syntposium: от Тобиаса Фройнда до Кати Шилоносовой

В Москве пройдет международный фестиваль музыкальных изобретений Synthposium

Maxim
КВ-1 к маршу готов КВ-1 к маршу готов

Танки, участвовавшие в битве на Неве

Популярная механика
Союз ржавых Союз ржавых

Места, которые выглядят так, будто там уже случился ядерный апокалипсис

Maxim
Когда лайнер бьет хвостом Когда лайнер бьет хвостом

Авиаинциденты с «тейлстрайком»

Популярная механика
От Сен-Мало до Динара — гид по Бретани — изумрудному побережью Франции От Сен-Мало до Динара — гид по Бретани — изумрудному побережью Франции

Когда некуда спешить в сентябре

Vogue
Квантовое превосходство Квантовое превосходство

В IT сложилась предреволюционная ситуация

Популярная механика
Разыграть по правилам Разыграть по правилам

Интерьер в стиле contemporary для семьи с двумя маленькими детьми

SALON-Interior
_Не музыка еще, уже не шум _Не музыка еще, уже не шум

Как научить машину сочинять музыку и писать картины

Популярная механика
Кто такая Kedr Livanskiy и почему о ней говорят все Кто такая Kedr Livanskiy и почему о ней говорят все

Москвичка Яна Кедрина прощается с романтическим прошлым

Vogue
Точечный старт Точечный старт

История отечественного авиаконструктора – Владимира Мясищева

Популярная механика
Загадка русской души. Почему россияне не хотят жить долго и счастливо? Загадка русской души. Почему россияне не хотят жить долго и счастливо?

Как увеличить продолжительность жизни россиян, если они этого не хотят

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

Машины для работы в самых экстремальных условиях

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

Носки Джастина Бибера и новая татуировка Боба Оденкерка

GQ
Как победить хищника? Как победить хищника?

Навыки выживания, необходимые для победы над расой идеальных охотников

Популярная механика
Скрытая угроза Скрытая угроза

О том, как перестать беспокоиться и начать жить

Добрые советы
Пока не было света Пока не было света

Предыстория солнца и солнечной системы

Популярная механика
Объект желания: 5 главных сумок осени (и их бюджетные альтернативы) Объект желания: 5 главных сумок осени (и их бюджетные альтернативы)

Самые модные дизайнерские сумки этой осени и их бюджетные аналоги

Cosmopolitan
Прививка или смерть Прививка или смерть

Создание эффективной вакцины против ВИЧ заняло почти 40 лет

Популярная механика
Формальный вопрос: 8 школьных дресс-кодов Формальный вопрос: 8 школьных дресс-кодов

Пока взрослые в спорят о необходимости школьной формы, дети продолжают ее носить

Вокруг света
Незастывающее слово Незастывающее слово

Языку так тяжело в тисках учебников и словарей

Популярная механика
Каппадокия: туф, шары и церкви Каппадокия: туф, шары и церкви

Каппадокия в самом центре Малой Азии, окруженной горами и легендами

АвтоМир
Возвращение «Индейца» Возвращение «Индейца»

Прошлое и настоящее мотоцикла Indian

Популярная механика
Другая девушка Другая девушка

Внучка народного артиста и дочь московской красавицы Лиза Янковская

Tatler
Новая бронетанковая доктрина Новая бронетанковая доктрина

О зарождении новой бронетанковой доктрины

Популярная механика
Гражданин Маккейн Гражданин Маккейн

Сенатор Маккейн рассказал о своем необыкновенном времени

Esquire
Открыть в приложении