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

Стеклянные микробы Люка Джеррама Стеклянные микробы Люка Джеррама

Героев этих произведений не разглядеть без микроскопа

Популярная механика
Школьное поле экспериментов Школьное поле экспериментов

Сделали ли бесконечные реформы российскую школу лучше?

Русский репортер
Фантастика в открытом поле Фантастика в открытом поле

Иннополис – город, в котором нет старости

Популярная механика
«Если мне сказать «надо» — сделаю ровно наоборот!» «Если мне сказать «надо» — сделаю ровно наоборот!»

Интервью с Марией Шалаевой

OK!
Танки против крепостей Танки против крепостей

Миф об уничтоженных танковых армиях на улицах Берлина

Популярная механика
Игра в бренды Игра в бренды

Компания Ferrero намерена удвоить рост в ближайшие 10 лет

Forbes
Как спрятать голову в железо Как спрятать голову в железо

История доспехов в европейском Средневековье и технология воссоздания в наши дни

Популярная механика
Летучие ирландцы Летучие ирландцы

На Аранских островах до сих пор живут так, как жили древние кельты

Вокруг света
Не просто фантастика Не просто фантастика

Городской тест-драйв беспилотного автомобиля

Популярная механика
«Я не видела его два месяца»: москвичка пытается вернуть своего ребенка «Я не видела его два месяца»: москвичка пытается вернуть своего ребенка

История женщины, у которой отобрали ребенка

Cosmopolitan
Инфекция жизни Инфекция жизни

Направленная панспермия в вопросах и ответах

Популярная механика
Шостакович на пожаре и еще 4 ретрофотографии, на которых происходит что-то неожиданное Шостакович на пожаре и еще 4 ретрофотографии, на которых происходит что-то неожиданное

Посмотрим, догадаешься ли ты, что именно происходит на этих фотографиях

Maxim
Яндекс.Станция Яндекс.Станция

Вот уже неделю Яндекс.Станция живет у меня дома

Популярная механика
Как закалялась сталь Как закалялась сталь

«Татлер» вспоминает светскую Россию, которую мы потеряли

Tatler
Нобелевский практикум Нобелевский практикум

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

Популярная механика
Как отличить девушку от женщины? Мем про разницу в возрасте вернулся! Как отличить девушку от женщины? Мем про разницу в возрасте вернулся!

Чем же так отличается девушка от женщины по мнению пользователей твиттера

Playboy
Как победить хищника? Как победить хищника?

Навыки выживания, необходимые для победы над расой идеальных охотников

Популярная механика
Приметы и суеверия о беременности: есть ли разумное зерно? Приметы и суеверия о беременности: есть ли разумное зерно?

Однозначно утверждать, что все приметы глупы и беспочвенны, нельзя

9 месяцев
Живые огни Живые огни

К растительным настольным лампам и деревьям-фонарям ведет несколько путей

Популярная механика
Пришли за  Путиным. Чем грозят Кремлю новые санкции США Пришли за  Путиным. Чем грозят Кремлю новые санкции США

Новый пакет санкций может внести Россию в список стран-спонсоров терроризма

Forbes
Механик в аду Механик в аду

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

Популярная механика
Как цистерна стала гаджетом Как цистерна стала гаджетом

Технические виды спорта — не только соревнование, но и демонстрация технологий

Популярная механика
Техпарад Техпарад

Новости мира науки

Популярная механика

«Каталог всей Земли» в 1970-е годы стал «библией своего поколения»

Esquire
Мусор и ветер Мусор и ветер

Каждый из нас производит сотни килограммов отходов в год

Популярная механика
То яма, то канава То яма, то канава

Как себя вести на дороге с плохим покрытием на примере Lada Vesta Cross

АвтоМир
Незастывающее слово Незастывающее слово

Языку так тяжело в тисках учебников и словарей

Популярная механика
Оксфорды, лоферы и прочие дерби: а вы знаете, как выглядит хипстерская обувь? Оксфорды, лоферы и прочие дерби: а вы знаете, как выглядит хипстерская обувь?

Оксфорды, лоферы и прочие дерби: а вы знаете, как выглядит хипстерская обувь?

Playboy
Пока не было света Пока не было света

Предыстория солнца и солнечной системы

Популярная механика
Столпились на платформе Столпились на платформе

Инвесторы продолжают вкладываться в бизнес через краудфандинговые платформы

Эксперт
Открыть в приложении