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

Нечеловеческая еда Нечеловеческая еда

Как делают сухой корм для животных

Популярная механика
Тимбилдинг для дикарей Тимбилдинг для дикарей

Кор­по­ра­тив­ные по­хо­ды

GQ
Стеклянные микробы Люка Джеррама Стеклянные микробы Люка Джеррама

Героев этих произведений не разглядеть без микроскопа

Популярная механика
Каппадокия: туф, шары и церкви Каппадокия: туф, шары и церкви

Каппадокия в самом центре Малой Азии, окруженной горами и легендами

АвтоМир
Мир завтрашнего дня Мир завтрашнего дня

Дизайн – это вовсе не то, как выглядит какой-то предмет

Популярная механика
В Фейсбуке нашли, пожалуй, худшую невесту в мире В Фейсбуке нашли, пожалуй, худшую невесту в мире

Сначала она потребовала, чтобы гости заплатили за свадьбу, а потом всех прокляла

Maxim
Конец всему Конец всему

Несколько вариантов сценария будущего для Вселенной

Популярная механика
Ода брадости! Как выбирать, отращивать и ухаживать за бородой — гид MAXIM Ода брадости! Как выбирать, отращивать и ухаживать за бородой — гид MAXIM

Чем больше борода, тем больше загадок она таит (и это даже не остатки еды)

Maxim
Кошка на пути домой Кошка на пути домой

Кошка на пути домой. От совершенного хищника к совершенному домашнему питомцу

Популярная механика
Павел Воля: Павел Воля:

Простой пензенский парень Павел Воля дал эксклюзивное интервью Cosmo

Cosmopolitan
Незастывающее слово Незастывающее слово

Языку так тяжело в тисках учебников и словарей

Популярная механика
Компания-владелец «ВКонтакте» и «ОК» попросила Госдуму амнистировать осужденных за лайки и репосты Компания-владелец «ВКонтакте» и «ОК» попросила Госдуму амнистировать осужденных за лайки и репосты

Mail.ru Group воззвала к Верховному суду, Минюсту и Татьяне Москальковой

Maxim
Новая бронетанковая доктрина Новая бронетанковая доктрина

О зарождении новой бронетанковой доктрины

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

Машины для работы в самых экстремальных условиях

Популярная механика
Как перестать страдать, даже если все плохо Как перестать страдать, даже если все плохо

Если поддаться разрушительным мыслям, можно скатиться в состояние неудачника

Psychologies
У Солнца под боком У Солнца под боком

О том, какие загадки должен решить меркурианский зонд

Популярная механика
Открыт грибок, превращающий насекомых в «зомби» Открыт грибок, превращающий насекомых в «зомби»

Биологи из Калифорнии открыли грибок, проникающий в мозг плодовых мушек-дрозофил

Популярная механика
Марс, пульс, температура Марс, пульс, температура

Зонд InSight: заглянуть внутрь Марса

Популярная механика
16 лучших фильмов про шпионов 16 лучших фильмов про шпионов

Шпионские фильмы в некотором смысле сродни фантастическим

Maxim
Летающая парта нового поколения Летающая парта нового поколения

Сверхманевренный учебный самолет с крыльями обратной стреловидности

Популярная механика
Новейшие исследования показывают, что люди делятся на правшей и левшей по причинам, не зависящим от полушарий мозга Новейшие исследования показывают, что люди делятся на правшей и левшей по причинам, не зависящим от полушарий мозга

13 августа — Международный день левши

Maxim
Дом во льдах Дом во льдах

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

Популярная механика
Теплые роботы Тобиаса Фрейли Теплые роботы Тобиаса Фрейли

Ретрофутуристические сценки из жизни роботов от Тобиаса Фрейли

Популярная механика
Выдуманная природа Рогана Брауна Выдуманная природа Рогана Брауна

Роган Браун создает из бумаги огромные колонии вымышленных микробов

Популярная механика
Как сделать классные фото на мобильный: советы модели и фотографа Как сделать классные фото на мобильный: советы модели и фотографа

Простые правила съемки на мобильный телефон

Cosmopolitan
Имею скафандр, готов путешествовать Имею скафандр, готов путешествовать

Скафандров для других планет у человечества нет даже в перспективе

Популярная механика
Евгения Добровольская. Разбивая стереотипы Евгения Добровольская. Разбивая стереотипы

Воспоминания Евгении Добровольской о том, как она стала актрисой

Караван историй
Удар с небес Удар с небес

Javelin считают наиболее совершенным легким средством против бронетехники

Популярная механика
Загорела на работе: женщины, работающие на Ибице Загорела на работе: женщины, работающие на Ибице

Каково на Ибице живется женщинам, которые приезжают сюда зарабатывать

Cosmopolitan
Открыть в приложении