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

Мир-кольцо Мир-кольцо

Земли в форме бублика: добро пожаловать на обруч и пончик

Популярная механика
Подземный космос Подземный космос

Что ждут от открытия пещеры «Таврида» ученые Крыма и его обитатели

Огонёк
Самая древняя Русь Самая древняя Русь

Животный мир давно минувших эпох

Популярная механика
Они позорят прекрасный пол! Они позорят прекрасный пол!

6 типов женщин, от которых стоит держаться подальше

Maxim
Брат небесный, брат земной Брат небесный, брат земной

NASA исследует близнецов: астронавта и его брата, оставшегося на Земле

Популярная механика
Тело говорит Тело говорит

Татуировки хоть и стали общим местом, остаются делом сугубо личным

Glamour
Знаки и смыслы Китая Знаки и смыслы Китая

Китайская иероглифика прекрасна чувствует себя даже в цифровую эпоху

Популярная механика
В масштабе личности В масштабе личности

Рокко Янноне заслуживает высшей оценки в индустрии большой моды

The Rake
Конец всему Конец всему

Несколько вариантов сценария будущего для Вселенной

Популярная механика
Саженцы для Лаймы Саженцы для Лаймы

В Юрмале в четвертый раз состоялся музыкальный фестиваль «Лайма. Рандеву»

OK!
Интеллект для самолета Интеллект для самолета

Многофункциональная боевая машина следующего поколения

Популярная механика
Как собирать красивые камни и минералы, а потом делать украшения из них Как собирать красивые камни и минералы, а потом делать украшения из них

Осваиваем новое модное хобби — охоту за камнями

Vogue
Пешком по воде Пешком по воде

Далеко не все способны проплыть километр под водой

Популярная механика
Страховое прикрытие Страховое прикрытие

Полис иностранного страховщика как альтернатива налоговой гавани

Forbes
Техпарад Техпарад

Новости мира науки

Популярная механика
“Неправильного воспитания не бывает” “Неправильного воспитания не бывает”

Семейный психолог Екатерина Мурашова о воспитании детей

Psychologies
Точечный старт Точечный старт

История отечественного авиаконструктора – Владимира Мясищева

Популярная механика
Фильмы на коленке Фильмы на коленке

Три способа пойти коротким путем в большое кино

РБК
Прививка или смерть Прививка или смерть

Создание эффективной вакцины против ВИЧ заняло почти 40 лет

Популярная механика
Как обманывают при покупке автомобиля с пробегом Как обманывают при покупке автомобиля с пробегом

Как разузнать все больные места машины с пробегом на первом же свидании

Maxim
Дом во льдах Дом во льдах

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

Популярная механика
Архив смерти Архив смерти

Фотохудожник Андреас Оруэле отобрал фотографии Колумбии 1948 — 1958 годов

Esquire
Нобелевский практикум Нобелевский практикум

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

Популярная механика
Бали Барре — ангел-хранитель традиций Hermès Бали Барре — ангел-хранитель традиций Hermès

Бали Барре — о том, как примирить традиции с инновациями в Hermès

Vogue
Яндекс.Станция Яндекс.Станция

Вот уже неделю Яндекс.Станция живет у меня дома

Популярная механика
Toyota Avensis: исчезающий вид Toyota Avensis: исчезающий вид

Toyota Avensis. Запас прочности

АвтоМир
Как спрятать голову в железо Как спрятать голову в железо

История доспехов в европейском Средневековье и технология воссоздания в наши дни

Популярная механика
Технократия: тест Audi A8 L 55 Технократия: тест Audi A8 L 55

Audi A8 борется за звание самого высокотехнологичного представительского седана

Популярная механика
Пока не было света Пока не было света

Предыстория солнца и солнечной системы

Популярная механика
Алексей Маклаков: Я люблю тебя до слез… Алексей Маклаков: Я люблю тебя до слез…

Алексей Маклаков благодарит судьбу за то, что в его жизни появилась Анна

Лиза
Открыть в приложении