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

Заблудился в Америке Заблудился в Америке

Дизельпанк: параллельная вселенная словенского художника Андрея Трохи

Популярная механика
«Держите убийцу тов. Ленина»: опубликованы документы и фото из дела о покушении на создателя СССР «Держите убийцу тов. Ленина»: опубликованы документы и фото из дела о покушении на создателя СССР

Фото с инсценировки покушения на Ленина и другое увлекательное чтиво

Maxim
Пластмассовая армия Пластмассовая армия

Сборные модели с высокой степенью детализации и технической достоверности

Популярная механика
Как менялся стиль Фаррелла Уильямса Как менялся стиль Фаррелла Уильямса

История борьбы музыканта со своими брюками. Как менялся стиль Фаррелла Уильямса

GQ
Спим на уроке: обучение в состоянии осознанного сновидения Спим на уроке: обучение в состоянии осознанного сновидения

Возможно, скоро мы сможем тренироваться, не вылезая из-под одеяла, прямо во сне

Популярная механика
Что читать в сентябре: выбор Psychologies Что читать в сентябре: выбор Psychologies

Четыре книжные новинки к началу осени

Psychologies
Дом во льдах Дом во льдах

История дрейфующих станций «Северный полюс» – это летопись подвига во имя науки

Популярная механика
Жасмин с новой песней  «Похожи» покорила  iTunes Жасмин с новой песней  «Похожи» покорила  iTunes

Певица Жасмин порадовала своих поклонников свежим релизом

Cosmopolitan
Как спрятать голову в железо Как спрятать голову в железо

История доспехов в европейском Средневековье и технология воссоздания в наши дни

Популярная механика
Светлана Феодулова. Чужая родня Светлана Феодулова. Чужая родня

Семейная жизнь Светланы Феодуловой превратилась в сплошной кошмар

Караван историй
Мусор и ветер Мусор и ветер

Каждый из нас производит сотни килограммов отходов в год

Популярная механика
Новый альбом Gorillaz и другие главные музыкальные новинки Новый альбом Gorillaz и другие главные музыкальные новинки

Музыкальные новинки месяца

Maxim
Небо для катамаранов Небо для катамаранов

Современные самолеты построены по так называемой нормальной схеме

Популярная механика
«Найди то, что тебе интересно, – и это выстрелит» «Найди то, что тебе интересно, – и это выстрелит»

Настя Ивлеева о том, как ей удалось стать главной звездой российской блогосферы

Cosmopolitan
Интеллект для самолета Интеллект для самолета

Многофункциональная боевая машина следующего поколения

Популярная механика
Все, что вам нужно знать о брюках карго Все, что вам нужно знать о брюках карго

В истории карго были моменты, когда они считались военной экипировкой

GQ
Нервные клетки не восстанавливаются? Нервные клетки не восстанавливаются?

Может ли мозг взрослого человека образовывать новые нейроны взамен утраченных

Популярная механика
Я объявляю вам войну Я объявляю вам войну

Анджелина Джоли и Брэд Питт не в состоянии ничего решить полюбовно

StarHit
Техпарад Техпарад

Новости мира науки

Популярная механика
«Ему было нечего терять» «Ему было нечего терять»

Как Иван Крузенштерн возглавил первое российское кругосветное плавание

Огонёк
Мир Дикого Востока Мир Дикого Востока

Как в Китае рождается медицина будущего

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

Вечно молодые Джейсон Стэйтем и Джефф Голдблюм

GQ
Незастывающее слово Незастывающее слово

Языку так тяжело в тисках учебников и словарей

Популярная механика
Дыши, чувак, дыши! 8 недопустимых ошибок во время поцелуя Дыши, чувак, дыши! 8 недопустимых ошибок во время поцелуя

Как не облажаться перед девушкой во время поцелуя

Playboy
Имею скафандр, готов путешествовать Имею скафандр, готов путешествовать

Скафандров для других планет у человечества нет даже в перспективе

Популярная механика
Профессия — режиссер Профессия — режиссер

Успешные красавицы-актрисы, ставшие режиссерами, не редкость в мировой практике

OK!
Яндекс.Станция Яндекс.Станция

Вот уже неделю Яндекс.Станция живет у меня дома

Популярная механика
6 подпольных советских миллионеров 6 подпольных советских миллионеров

О них не было статей в Forbes — для них были статьи Уголовного кодекса

Maxim
Как победить хищника? Как победить хищника?

Навыки выживания, необходимые для победы над расой идеальных охотников

Популярная механика
Как я излечила разбитое сердце и стала лайф-коучем Как я излечила разбитое сердце и стала лайф-коучем

Клэр Бирн рассказывает, как она справилась с тяжелым разрывом и нашла призвание

Psychologies
Открыть в приложении