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

Дом во льдах Дом во льдах

История дрейфующих станций «Северный полюс» – это летопись подвига во имя науки

Популярная механика
Соль фа. Что такое фашизм и почему он не нужен ни в каком виде Соль фа. Что такое фашизм и почему он не нужен ни в каком виде

Что представляет собой фашизм с философской и идеологической точки зрения

Maxim
Броня легка Броня легка

Алюминиевые сплавы давно и прочно обосновались на бронемашинах

Популярная механика
Неправильные привычки питания: советы диетолога Неправильные привычки питания: советы диетолога

На многие неправильные привычки питания мы просто не обращаем внимания

9 месяцев
Квантовое превосходство Квантовое превосходство

В IT сложилась предреволюционная ситуация

Популярная механика
Украинский разработчик научился точнее всех прогнозировать продажи видеоигр Украинский разработчик научился точнее всех прогнозировать продажи видеоигр

SteamSpy — сервис, прогнозирующий продажи видеоигр

РБК
С горочки спустился С горочки спустился

Мы встретились с чемпионом России по форкроссу Иваном Кунаевым

Популярная механика
Дикий запад: как носить главный тренд осени (и не быть похожей на ковбоя) Дикий запад: как носить главный тренд осени (и не быть похожей на ковбоя)

Тренд на дикий запад перекочевал из прошлого сезона в новый

Cosmopolitan
Без рулей и элеронов Без рулей и элеронов

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

Популярная механика
Любовь до каторги довела: подлинная история Соньки - Золотой Ручки Любовь до каторги довела: подлинная история Соньки - Золотой Ручки

Биография Софьи Соломониак-Блювштейн-Штендель - одна из самых загадочных в мире

Cosmopolitan
Как спрятать голову в железо Как спрятать голову в железо

История доспехов в европейском Средневековье и технология воссоздания в наши дни

Популярная механика
Лучшие фотографии птиц с конкурса Bird Photographer of the Year Лучшие фотографии птиц с конкурса Bird Photographer of the Year

Лучшие фотографии птиц с конкурса Bird Photographer of the Year

Esquire
Нашествие Нашествие

Кролики-убийцы и другие животные-захватчики

Популярная механика
Неоклассика на твоем столе Неоклассика на твоем столе

Модное сегодня увлечение настольными играми корнями уходит далеко в прошлое

Maxim
Имею скафандр, готов путешествовать Имею скафандр, готов путешествовать

Скафандров для других планет у человечества нет даже в перспективе

Популярная механика
Сила слов: почему надо говорить о своих чувствах Сила слов: почему надо говорить о своих чувствах

Эксперты советуют озвучивать сложные жизненные ситуации

Psychologies
Рисунки на полях Рисунки на полях

На финале лиги чемпионов УЕФА-2018 засветился робот, рисующий разметку

Популярная механика
Лечим психологические травмы... движениями глазами Лечим психологические травмы... движениями глазами

Лечим психологические травмы... движениями глазами

Psychologies
Целого мира мало Целого мира мало

Человечеству грозит дефицит самых простых минеральных ресурсов

Популярная механика
Как сделать кухню модной Как сделать кухню модной

Как сделать кухню модной. Превращаем бытовую комнату в пространство для отдыха

Vogue
Новая бронетанковая доктрина Новая бронетанковая доктрина

О зарождении новой бронетанковой доктрины

Популярная механика
Яна Рудковская, Одри Тоту и другие звезды за 40, которые круто выглядят в бикини Яна Рудковская, Одри Тоту и другие звезды за 40, которые круто выглядят в бикини

Фигурам девушек из нашей подборки можно только позавидовать

Cosmopolitan
Спим на уроке: обучение в состоянии осознанного сновидения Спим на уроке: обучение в состоянии осознанного сновидения

Возможно, скоро мы сможем тренироваться, не вылезая из-под одеяла, прямо во сне

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
Все не так, ребята: 5 типичных ошибок в уходе за кожей Все не так, ребята: 5 типичных ошибок в уходе за кожей

На что мы не обращаем внимания при уходе за кожей

Esquire
Картонная инженерия Даниеля Агдага Картонная инженерия Даниеля Агдага

Австралийский художник Даниель Агдаг делает скульптуры из картона

Популярная механика
Леонид Парфенов Леонид Парфенов

Правила жизни журналиста Леонида Парфенова

Esquire
Живые огни Живые огни

К растительным настольным лампам и деревьям-фонарям ведет несколько путей

Популярная механика
Объект желания: 7 пар кроссовок как у русских fashion-блогеров Объект желания: 7 пар кроссовок как у русских fashion-блогеров

Городской ритм уже давно заставил девушек сменить туфли на кроссовки

Cosmopolitan
Открыть в приложении