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

Техпарад Техпарад

Новости мира науки

Популярная механика
Мечтать не вредно Мечтать не вредно

Волосорост, бюсторегулятор и другие изобретения, о которых мечтает женщина

Домашний Очаг
Китайский Карлсон Китайский Карлсон

Самой сложной и красивой игрушкой в мире был радиоуправляемый вертолет

Популярная механика
Почему мы сожалеем о разводе Почему мы сожалеем о разводе

Треть разведенных пар сожалеют о решении расстаться

Psychologies
Наука о прикосновениях Наука о прикосновениях

Белорусский стартап реализовал технологию передачи тактильных ощущений для VR

Популярная механика
20 обложек романа «Лолита» 20 обложек романа «Лолита»

Для художников это произведение остается поводом для творческих высказываний

Esquire
Мир Дикого Востока Мир Дикого Востока

Как в Китае рождается медицина будущего

Популярная механика
Взгляд отца: что он значит для мальчика? Взгляд отца: что он значит для мальчика?

Взгляд отца играет огромную роль в становлении личности ребенка

Psychologies
Мир-кольцо Мир-кольцо

Земли в форме бублика: добро пожаловать на обруч и пончик

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
Когда лайнер бьет хвостом Когда лайнер бьет хвостом

Авиаинциденты с «тейлстрайком»

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
Имею скафандр, готов путешествовать Имею скафандр, готов путешествовать

Скафандров для других планет у человечества нет даже в перспективе

Популярная механика
В Москве прошел благотворительный матч в пользу Фонда Хабенского В Москве прошел благотворительный матч в пользу Фонда Хабенского

26 августа состоялся благотворительный футбольный матч

Cosmopolitan
Пластмассовая армия Пластмассовая армия

Сборные модели с высокой степенью детализации и технической достоверности

Популярная механика
Скрытая угроза Скрытая угроза

О том, как перестать беспокоиться и начать жить

Добрые советы
Точечный старт Точечный старт

История отечественного авиаконструктора – Владимира Мясищева

Популярная механика
Сон в жаркую летнюю ночь. В прокате новый хит с Тимоти Шаламе Сон в жаркую летнюю ночь. В прокате новый хит с Тимоти Шаламе

“Жаркие летние ночи” — сказка с очень печальным концом

Esquire
Пока не было света Пока не было света

Предыстория солнца и солнечной системы

Популярная механика
Faces&Laces 2018: как прошла выставка в этом году Faces&Laces 2018: как прошла выставка в этом году

В Парке Горького прошел двенадцатый интерактивный выставочный проект Faces&Laces

Cosmopolitan
Осколочно-фугасный ливень Осколочно-фугасный ливень

Осколочно-фугасный ливень. Рой ударных БПЛА с авиабомбами Hatchet

Популярная механика
Здравствуйте, товарищи Здравствуйте, товарищи

Как попасть в Северную Корею и пробежать полумарафон

Tatler
Чистый тяжелый металл Чистый тяжелый металл

Как производят слитки драгоценных металлов

Популярная механика
Комфорт с ветерком: редактор Cosmo и новый Kia Ceed Комфорт с ветерком: редактор Cosmo и новый Kia Ceed

Начало августа, Испания, Малага и красавчик KIA CEED

Cosmopolitan
Как спрятать голову в железо Как спрятать голову в железо

История доспехов в европейском Средневековье и технология воссоздания в наши дни

Популярная механика
Он, она и километры: 7 главных правил отношений на расстоянии Он, она и километры: 7 главных правил отношений на расстоянии

Как поддерживать отношения на расстоянии

Playboy
Яндекс.Станция Яндекс.Станция

Вот уже неделю Яндекс.Станция живет у меня дома

Популярная механика
Лучшие шутки об уголовных делах за мемы, лайки и репосты во «ВКонтакте»! Лучшие шутки об уголовных делах за мемы, лайки и репосты во «ВКонтакте»!

Шутки стали побочным эффектом резонанса новостей про суды за картинки

Maxim
Картонная инженерия Даниеля Агдага Картонная инженерия Даниеля Агдага

Австралийский художник Даниель Агдаг делает скульптуры из картона

Популярная механика
Алюминиевая броня: самая лёгкая защита для танка Алюминиевая броня: самая лёгкая защита для танка

Алюминиевые сплавы давно и прочно обосновались на бронемашинах

Популярная механика
Открыть в приложении