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

Инфекция жизни Инфекция жизни

Направленная панспермия в вопросах и ответах

Популярная механика
Чемпион: тест Mercedes-AMG GLC 63 S Чемпион: тест Mercedes-AMG GLC 63 S

Единственный в классе среднеразмерный кроссовер с V8!

Популярная механика
Нобелевский практикум Нобелевский практикум

Нобелевские премии по физике, химии, медицине и физиологии – награды за практику

Популярная механика
Физика искусства: кинетические инсталляции Коити Окамото Физика искусства: кинетические инсталляции Коити Окамото

Инсталляции студии Kyouei Design и ее главного идеолога Коити Окамото

Популярная механика
Как спрятать голову в железо Как спрятать голову в железо

История доспехов в европейском Средневековье и технология воссоздания в наши дни

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
Танки против крепостей Танки против крепостей

Миф об уничтоженных танковых армиях на улицах Берлина

Популярная механика
Школьное поле экспериментов Школьное поле экспериментов

Сделали ли бесконечные реформы российскую школу лучше?

Русский репортер
Надежный рекордсмен Надежный рекордсмен

Сельскохозяйственные тракторы и рекорды «Ростсельмаша»

Популярная механика
9 ингредиентов для того, чтобы сделать еду летом еще вкуснее 9 ингредиентов для того, чтобы сделать еду летом еще вкуснее

9 ингредиентов для того, чтобы сделать еду летом еще вкуснее

Playboy
Механик в аду Механик в аду

Зонд AREE – никакой электроники, только старая школа и верная механика

Популярная механика
Правила жизни Эдуарда Успенского Правила жизни Эдуарда Успенского

Мнения и высказывания писателя Эдуарда Успенского

Esquire
Новая бронетанковая доктрина Новая бронетанковая доктрина

О зарождении новой бронетанковой доктрины

Популярная механика
Старость в шоколаде. Правительство переложит бремя пенсий на самозанятых Старость в шоколаде. Правительство переложит бремя пенсий на самозанятых

Почти 15 млн российских граждан работают, не выплачивая налоги и взносы

Forbes
Техпарад Техпарад

Новости мира науки

Популярная механика
Молниеносный шалом. История самой успешной операции Моссада по освобождению заложников Молниеносный шалом. История самой успешной операции Моссада по освобождению заложников

Ночью 4 июля 1976 года в Уганде было жарко

Maxim
Ударные стройки науки Ударные стройки науки

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

Популярная механика
Пост — пост Пост — пост

Гавайки, шорты и тренировочные штаны маркируют современный подход к классике

The Rake
Пламенные моторы будущего Пламенные моторы будущего

Интервью с генеральным директором ЦИАМ Михаилом Гординым

Популярная механика
Монополия на радость: к чему может привести выпуск новых видеокарт Nvidia Монополия на радость: к чему может привести выпуск новых видеокарт Nvidia

Новые видеоплаты Nvidia позволяют запускать на компьютерах фотореалистичные игры

Forbes
Мусор и ветер Мусор и ветер

Каждый из нас производит сотни килограммов отходов в год

Популярная механика
Почему модные бренды не делают обувь больших размеров Почему модные бренды не делают обувь больших размеров

Модель Джесс Коул рассказала Vogue, как она находит подходящую пару туфель

Vogue
Незастывающее слово Незастывающее слово

Языку так тяжело в тисках учебников и словарей

Популярная механика
Зерно уплывает за рубеж рекордными темпами Зерно уплывает за рубеж рекордными темпами

Засуха в Европе и низкий урожай зерновых в России вызвали ажиотаж на рынке

Эксперт
Пластмассовая армия Пластмассовая армия

Сборные модели с высокой степенью детализации и технической достоверности

Популярная механика
Любо–дорого Любо–дорого

Рецепт респектабельного интерьера от AB Architects

SALON-Interior
Имею скафандр, готов путешествовать Имею скафандр, готов путешествовать

Скафандров для других планет у человечества нет даже в перспективе

Популярная механика
Феномен модных коллабораций: кто все эти люди и зачем нам это нужно Феномен модных коллабораций: кто все эти люди и зачем нам это нужно

Какие фэшн-коллаборации по-настоящему хороши

Cosmopolitan
Как победить хищника? Как победить хищника?

Навыки выживания, необходимые для победы над расой идеальных охотников

Популярная механика
Ночь нежна Ночь нежна

Нам удалось проникнуть внутрь знаменитого лондонского клуба Annabel’s

The Rake
Открыть в приложении