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

Метательные планеры Метательные планеры

Один из самых молодых видов авиамодельного спорта

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
Заплечных дел мастер Заплечных дел мастер

Почти бесконечный боезапас за спиной

Популярная механика
1960: Локальное потепление 1960: Локальное потепление

Страна оттаивает в лучах хрущевской оттепели

Esquire
Чистый тяжелый металл Чистый тяжелый металл

Как производят слитки драгоценных металлов

Популярная механика
Сочная разгрузка Сочная разгрузка

Мякоть арбузов и дынь насытит витаминами и минералами, и поможет похудеть

Лиза
Инфекция жизни Инфекция жизни

Направленная панспермия в вопросах и ответах

Популярная механика
Дивный новый мир. Зачем нужны большие данные о здоровье пациентов Дивный новый мир. Зачем нужны большие данные о здоровье пациентов

Возможности применения больших данных в здравоохранении огромны

Forbes
Мир Дикого Востока Мир Дикого Востока

Как в Китае рождается медицина будущего

Популярная механика
Как сделать 6 разных вариантов макияжа с помощью одной палетки теней Как сделать 6 разных вариантов макияжа с помощью одной палетки теней

Как сделать 6 разных вариантов макияжа с помощью одной палетки теней

Cosmopolitan
Двойные стандарты Двойные стандарты

Стоимость антиматерии падает

Популярная механика
Forbes составил рейтинг банков и управляющих компаний для миллионеров Forbes составил рейтинг банков и управляющих компаний для миллионеров

Forbes представляет ежегодный рейтинг российских и иностранных банков

Forbes
Целого мира мало Целого мира мало

Человечеству грозит дефицит самых простых минеральных ресурсов

Популярная механика
Почему антиматерии так мало? Почему антиматерии так мало?

Законы физики не дают обычному веществу никаких особенных преимуществ

Популярная механика
Прививка или смерть Прививка или смерть

Создание эффективной вакцины против ВИЧ заняло почти 40 лет

Популярная механика
Жизнь по наклонной: когда рубль перестанет слабеть Жизнь по наклонной: когда рубль перестанет слабеть

Впереди нас ждут новые взрывные подвижки в курсе российской валюты?

Forbes
Нашествие Нашествие

Кролики-убийцы и другие животные-захватчики

Популярная механика
«Мужчины не должны полагаться на невербальное согласие» «Мужчины не должны полагаться на невербальное согласие»

Какую злую шутку может сыграть с нами мозг

Psychologies
Незастывающее слово Незастывающее слово

Языку так тяжело в тисках учебников и словарей

Популярная механика
Еда, которую ты всегда считал полезной, и очень напрасно Еда, которую ты всегда считал полезной, и очень напрасно

Еда, которую ты всегда считал полезной, и напрасно

Playboy
Конец всему Конец всему

Несколько вариантов сценария будущего для Вселенной

Популярная механика
Страховое прикрытие Страховое прикрытие

Полис иностранного страховщика как альтернатива налоговой гавани

Forbes
Новая бронетанковая доктрина Новая бронетанковая доктрина

О зарождении новой бронетанковой доктрины

Популярная механика
Как расстаться с девушкой и не получить по лицу: 8 незаменимых советов Как расстаться с девушкой и не получить по лицу: 8 незаменимых советов

Советы для тех случаев, когда расставание кажется чем-то очень тяжелым

Playboy
Шепот, который убивает Шепот, который убивает

Ни одна винтовка не способна проделывать такие трюки и оставлять такие отверстия

Популярная механика
Как Вирджил Абло стал главным человеком в современной моде Как Вирджил Абло стал главным человеком в современной моде

О настоящем и будущем индустрии Вирджил Абло поговорил с Vogue

Vogue
Техпарад Техпарад

Новости мира науки

Популярная механика
Деньги в рост: зачем Усманову «Эвертон» Деньги в рост: зачем Усманову «Эвертон»

Российский миллиардер Алишер Усманов не планирует прощаться с футболом

Forbes
Как спрятать голову в железо Как спрятать голову в железо

История доспехов в европейском Средневековье и технология воссоздания в наши дни

Популярная механика
Игра в эклектику: почему сочетать несочетаемое — это нормально Игра в эклектику: почему сочетать несочетаемое — это нормально

Гардероб современной женщины давно не может ограничиваться одним стилем

Cosmopolitan
Открыть в приложении