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

Интеллект для самолета Интеллект для самолета

Многофункциональная боевая машина следующего поколения

Популярная механика
10 главных ролей Ford Mustang в истории кино 10 главных ролей Ford Mustang в истории кино

В истории кино следов копыт “Мустанга” не меньше, чем в истории автопрома

Maxim
Пластмассовая армия Пластмассовая армия

Сборные модели с высокой степенью детализации и технической достоверности

Популярная механика
6 причин, почему девушки говорят, что все в порядке, когда на самом деле это не так 6 причин, почему девушки говорят, что все в порядке, когда на самом деле это не так

Ответ на вопрос «Почему женщины говорят, что все в порядке, когда это не так?»

Playboy
Летающая парта нового поколения Летающая парта нового поколения

Сверхманевренный учебный самолет с крыльями обратной стреловидности

Популярная механика
Куда труба зовет Куда труба зовет

Лидеры Германии и России провели две встречи «с глазу на глаз»

Огонёк
Возвращение «Индейца» Возвращение «Индейца»

Прошлое и настоящее мотоцикла Indian

Популярная механика

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

Esquire
Топор плывет Топор плывет

В середине прошлого десятилетия в море вышло судно странной наружности

Популярная механика
Для тех, кто любит в доме порядок Для тех, кто любит в доме порядок

Практикум по уборке и оптимизации пространства

Домашний Очаг
Техпарад Техпарад

Новости мира науки

Популярная механика
Почему сестры Хачатурян не убежали Почему сестры Хачатурян не убежали

Адвокат сестер Хачатурян о деталях убийства

Русский репортер
Заблудился в Америке Заблудился в Америке

Дизельпанк: параллельная вселенная словенского художника Андрея Трохи

Популярная механика
Так по-английски Так по-английски

О саде, находящемся по другую сторону Ла-Манша, на севере Германии

SALON-Interior
Механик в аду Механик в аду

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

Популярная механика
Как заработать на отдыхе Как заработать на отдыхе

Проведение летних месяцев в душном офисе противоречит природе человека

Maxim
Как победить хищника? Как победить хищника?

Навыки выживания, необходимые для победы над расой идеальных охотников

Популярная механика
Sugar less, party more Sugar less, party more

В Москве открылся первый бар с концепцией Skinny Drinks

Cosmopolitan
Новая бронетанковая доктрина Новая бронетанковая доктрина

О зарождении новой бронетанковой доктрины

Популярная механика
Зависит ли счастье от наличия партнера? Зависит ли счастье от наличия партнера?

Нам навязывают убеждение о том, что наличие отношений — залог счастливой жизни

Psychologies
Удар с небес Удар с небес

Javelin считают наиболее совершенным легким средством против бронетехники

Популярная механика
Максим Виторган: «Ксюша помогла мне снять оковы» Максим Виторган: «Ксюша помогла мне снять оковы»

Максим Виторган раскрыл «СтарХиту» секрет, как избегает скандалов с супругой

StarHit
Самая древняя Русь Самая древняя Русь

Животный мир давно минувших эпох

Популярная механика
Книга недели: “Кто мы такие? Гены, наше тело, общество” Книга недели: “Кто мы такие? Гены, наше тело, общество”

Книга американского нейроэндокринолога Роберта Сапольски о генах и не только

Популярная механика
Незастывающее слово Незастывающее слово

Языку так тяжело в тисках учебников и словарей

Популярная механика
Секс-драйв на Cosmo: дрожь земли — пульсатор Fun Factory STRONIC SURF Секс-драйв на Cosmo: дрожь земли — пульсатор Fun Factory STRONIC SURF

Самый честный секс-драйв от редактора Cosmo

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

Машины для работы в самых экстремальных условиях

Популярная механика
Песнь пенсий Песнь пенсий

Про колонизацию Марса мы уже писали, а про пенсии – пока нет

Maxim
Пока не было света Пока не было света

Предыстория солнца и солнечной системы

Популярная механика
Как менялся стиль Фаррелла Уильямса Как менялся стиль Фаррелла Уильямса

История борьбы музыканта со своими брюками. Как менялся стиль Фаррелла Уильямса

GQ
Открыть в приложении