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

Прививка или смерть Прививка или смерть

Создание эффективной вакцины против ВИЧ заняло почти 40 лет

Популярная механика
Последнее лето Последнее лето

Новая история виллы Камуцци

AD
Как спрятать голову в железо Как спрятать голову в железо

История доспехов в европейском Средневековье и технология воссоздания в наши дни

Популярная механика
Готовимся к осени: 6 главных обувных трендов будущего сезона Готовимся к осени: 6 главных обувных трендов будущего сезона

Самое время приступить к обновлению осеннего гардероба

Cosmopolitan
Когда лайнер бьет хвостом Когда лайнер бьет хвостом

Авиаинциденты с «тейлстрайком»

Популярная механика
Как правильно сообщать плохие новости Как правильно сообщать плохие новости

Как правильно сообщать плохие новости

Maxim
Ударные стройки науки Ударные стройки науки

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

Популярная механика
Наследство короля Наследство короля

Майкла Джексона нет с нами уже девять лет

StarHit
Нобелевский практикум Нобелевский практикум

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

Популярная механика
Перфекционизм мешает наслаждаться сексом Перфекционизм мешает наслаждаться сексом

Беспокойство — главный враг возбуждения, особенно у женщин

Psychologies
Выдуманная природа Рогана Брауна Выдуманная природа Рогана Брауна

Роган Браун создает из бумаги огромные колонии вымышленных микробов

Популярная механика
Люксовый и нежный Zверь Люксовый и нежный Zверь

Аренда люксовых товаров — главный тренд будущего

GQ
Яндекс.Станция Яндекс.Станция

Вот уже неделю Яндекс.Станция живет у меня дома

Популярная механика
8 неожиданных плюсов старости 8 неожиданных плюсов старости

Мы научим тебя получать удовольствие от твоего уже не юного возраста!

Maxim
Картонная инженерия Даниеля Агдага Картонная инженерия Даниеля Агдага

Австралийский художник Даниель Агдаг делает скульптуры из картона

Популярная механика
20 признаков, что пора заканчивать отношения 20 признаков, что пора заканчивать отношения

Большинство предпочитают игнорировать, что в их отношениях что-то не так

Psychologies
Сколько можно спать? Сколько можно спать?

Еще несколько сотен лет назад европейцы спали дважды за сутки

Популярная механика
Тайный смысл симметрии: зачем она нужна и на что влияет? Тайный смысл симметрии: зачем она нужна и на что влияет?

Как симметрия и асимметрия влияют на нашу жизнь

Cosmopolitan
Квантовое превосходство Квантовое превосходство

В IT сложилась предреволюционная ситуация

Популярная механика
Агент влияния Агент влияния

Как работает главный современный кинокритик России Евгений «BadComedian» Баженов

РБК
Двойные стандарты Двойные стандарты

Стоимость антиматерии падает

Популярная механика
Ольга Бузова: «Я принцесса и нуждаюсь в том, чтобы быть счастливой» Ольга Бузова: «Я принцесса и нуждаюсь в том, чтобы быть счастливой»

26 августа на ТНТ стартует новое реалити «Замуж за Бузову»

Cosmopolitan
Удар с небес Удар с небес

Javelin считают наиболее совершенным легким средством против бронетехники

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

Каппадокия в самом центре Малой Азии, окруженной горами и легендами

АвтоМир
Заплечных дел мастер Заплечных дел мастер

Почти бесконечный боезапас за спиной

Популярная механика
Ночь нежна Ночь нежна

Нам удалось проникнуть внутрь знаменитого лондонского клуба Annabel’s

The Rake
Марс, пульс, температура Марс, пульс, температура

Зонд InSight: заглянуть внутрь Марса

Популярная механика
Как «Американский Жиголо» сделал Ричарда Гира и Джорджо Армани знаменитыми Как «Американский Жиголо» сделал Ричарда Гира и Джорджо Армани знаменитыми

«Американский жиголо» — фильм, после которого Ричард Гир стал знаменит

Esquire
Незастывающее слово Незастывающее слово

Языку так тяжело в тисках учебников и словарей

Популярная механика
Сексуальное желание: как оно устроено у женщин? Сексуальное желание: как оно устроено у женщин?

Как превратить возбуждение в настоящее желание

Psychologies
Открыть в приложении