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

Ударные стройки науки Ударные стройки науки

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

Популярная механика
Отец Влада Соколовского публично извинился перед Ритой Дакотой Отец Влада Соколовского публично извинился перед Ритой Дакотой

Отец Влада Соколовского публично извинился перед Ритой Дакотой

Cosmopolitan
Без рулей и элеронов Без рулей и элеронов

Можно ли обойтись без таких привычных элементов самолета, как рули и элероны?

Популярная механика
Трудный выбор, или вся правда о мясе Трудный выбор, или вся правда о мясе

Сколько можно есть мяса и колбас, чтобы не навредить здоровью

Лиза
Когда лайнер бьет хвостом Когда лайнер бьет хвостом

Авиаинциденты с «тейлстрайком»

Популярная механика
7 малоизвестных представителей семейства кошачьих 7 малоизвестных представителей семейства кошачьих

Предлагаем полюбоваться редкими кошками, которых Вы вряд ли когда-либо встречали

Популярная механика
Прививка или смерть Прививка или смерть

Создание эффективной вакцины против ВИЧ заняло почти 40 лет

Популярная механика
Вкусный Петербург: летний сезон в «Кококо» Вкусный Петербург: летний сезон в «Кококо»

В ресторане «Кококо» продолжается горячий летний сезон

Cosmopolitan
Ускоритель на орбите Ускоритель на орбите

Кто первым выкопал томагавк пучкового оружия, точно не известно

Популярная механика
Шлифовщик хрусталя и другие необычные профессии на фронтах Второй мировой Шлифовщик хрусталя и другие необычные профессии на фронтах Второй мировой

Шлифовщик хрусталя и другие необычные профессии на фронтах Второй мировой

Maxim
Самая древняя Русь Самая древняя Русь

Животный мир давно минувших эпох

Популярная механика
Лондон, гудбай: почему один из богатейших жителей Великобритании переезжает в Монако Лондон, гудбай: почему один из богатейших жителей Великобритании переезжает в Монако

Джеймс Рэтклифф решил эмигрировать

Forbes
Удар с небес Удар с небес

Javelin считают наиболее совершенным легким средством против бронетехники

Популярная механика
5 причин отправиться на греческие острова прямо сейчас 5 причин отправиться на греческие острова прямо сейчас

Если вам нет нужды возвращаться к московской жизни 1 сентября, езжайте в Грецию

Vogue
Не просто фантастика Не просто фантастика

Городской тест-драйв беспилотного автомобиля

Популярная механика
Второй триместр беременности: рекомендации и советы Второй триместр беременности: рекомендации и советы

Второй триместр беременности является спокойным временем для беременной женщины

9 месяцев
У Солнца под боком У Солнца под боком

О том, какие загадки должен решить меркурианский зонд

Популярная механика
Все деньги Мура Все деньги Мура

Из-за банковской ошибки житель провинциального городка стал миллионером

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

Машины для работы в самых экстремальных условиях

Популярная механика
8 рецептов сытных блюд, которые не навредят твоей фигуре 8 рецептов сытных блюд, которые не навредят твоей фигуре

Как приготовить закуску, салат, суп и второе, не потратив на это кучу времени

Cosmopolitan
Выдуманная природа Рогана Брауна Выдуманная природа Рогана Брауна

Роган Браун создает из бумаги огромные колонии вымышленных микробов

Популярная механика
Светлая голова Светлая голова

Матери русской светской революции Ульяне Цейтлиной пятьдесят

Tatler
Возвращение «Индейца» Возвращение «Индейца»

Прошлое и настоящее мотоцикла Indian

Популярная механика
17 фактов о Земфире, которые мы искали для тебя годами долгими 17 фактов о Земфире, которые мы искали для тебя годами долгими

Факты о Земфире — пожалуй, лучшей российской рок-певице

Maxim
Картонная инженерия Даниеля Агдага Картонная инженерия Даниеля Агдага

Австралийский художник Даниель Агдаг делает скульптуры из картона

Популярная механика
Как правильно ухаживать за замшевой обувью Как правильно ухаживать за замшевой обувью

Мастер-класс по уходу за обувью

Vogue
Яндекс.Станция Яндекс.Станция

Вот уже неделю Яндекс.Станция живет у меня дома

Популярная механика
Лучшие шутки дня и два года общего режима! Лучшие шутки дня и два года общего режима!

Фантастический дайджест авторского юмора с авторской орфографией

Maxim
Незастывающее слово Незастывающее слово

Языку так тяжело в тисках учебников и словарей

Популярная механика
Лучше гор могут быть только дыры! 9 впечатляющих отверстий планеты Лучше гор могут быть только дыры! 9 впечатляющих отверстий планеты

На Земле есть дыры такого размера, что ими можно лишь восхищаться

Maxim
Открыть в приложении