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

Шепот, который убивает Шепот, который убивает

Ни одна винтовка не способна проделывать такие трюки и оставлять такие отверстия

Популярная механика
Вайнона Райдер: «Самое сложное – признать, что ты не в порядке» Вайнона Райдер: «Самое сложное – признать, что ты не в порядке»

Интервью с Вайноной Райдер

Psychologies
С горочки спустился С горочки спустился

Мы встретились с чемпионом России по форкроссу Иваном Кунаевым

Популярная механика
9 ингредиентов для того, чтобы сделать еду летом еще вкуснее 9 ингредиентов для того, чтобы сделать еду летом еще вкуснее

9 ингредиентов для того, чтобы сделать еду летом еще вкуснее

Playboy
Имею скафандр, готов путешествовать Имею скафандр, готов путешествовать

Скафандров для других планет у человечества нет даже в перспективе

Популярная механика
Зерно вне закона. Почему России не поможет рекордный урожай Зерно вне закона. Почему России не поможет рекордный урожай

Российский рынок нуждается в создании стандартизированных правил торговли

Forbes
Инфекция жизни Инфекция жизни

Направленная панспермия в вопросах и ответах

Популярная механика
Лучше гор могут быть только дыры! 9 впечатляющих отверстий планеты Лучше гор могут быть только дыры! 9 впечатляющих отверстий планеты

На Земле есть дыры такого размера, что ими можно лишь восхищаться

Maxim
Осколочно-фугасный ливень Осколочно-фугасный ливень

Осколочно-фугасный ливень. Рой ударных БПЛА с авиабомбами Hatchet

Популярная механика
Паны вернулись Паны вернулись

Пенсии и реформы глазами последних русских на деревне

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

Машины для работы в самых экстремальных условиях

Популярная механика
Зеленый бум Зеленый бум

Мода на натуральную косметику достигла пика

Добрые советы
Наука о прикосновениях Наука о прикосновениях

Белорусский стартап реализовал технологию передачи тактильных ощущений для VR

Популярная механика
Люди — огонь! Люди — огонь!

Литейная мастерская — место для неподготовленного человека сложное

Seasons of life
Пока не было света Пока не было света

Предыстория солнца и солнечной системы

Популярная механика
Как сделать кухню модной Как сделать кухню модной

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

Vogue
Картонная инженерия Даниеля Агдага Картонная инженерия Даниеля Агдага

Австралийский художник Даниель Агдаг делает скульптуры из картона

Популярная механика
Дивидендный сезон: что ждет рубль после выплат акционерам Дивидендный сезон: что ждет рубль после выплат акционерам

В августе курс рубля к доллару окажется под давлением

Forbes
Выход дракона Выход дракона

Впервые в истории лидером по количеству космических запусков станет Китай

Популярная механика
Лучшие шутки дня и чайный гриб! Лучшие шутки дня и чайный гриб!

Тотальный дайджест авторского юмора с авторской орфографией

Maxim
Портрет генами Портрет генами

ДНК-фенотипирование позволит восстановить облик преступника по его генам

Популярная механика
5 способов экстренной борьбы с целлюлитом 5 способов экстренной борьбы с целлюлитом

Проверенные методы уменьшить «апельсиновую корку»

Cosmopolitan
Удар с небес Удар с небес

Javelin считают наиболее совершенным легким средством против бронетехники

Популярная механика
Если роды начались раньше времени… Если роды начались раньше времени…

По данным медицинской статистики, преждевременные роды возникают довольно часто

9 месяцев
Техпарад Техпарад

Новости мира науки

Популярная механика
18 фильмов первой половины 2018 года, которые ты мог пропустить 18 фильмов первой половины 2018 года, которые ты мог пропустить

Одними блокбастерами сыт не будешь

Maxim
Яндекс.Станция Яндекс.Станция

Вот уже неделю Яндекс.Станция живет у меня дома

Популярная механика
О чем спросить себя, прежде чем возвращаться к бывшему О чем спросить себя, прежде чем возвращаться к бывшему

После ухода любимого человека нас мучает душевная боль

Psychologies
Стеклянные микробы Люка Джеррама Стеклянные микробы Люка Джеррама

Героев этих произведений не разглядеть без микроскопа

Популярная механика
Жизнь после звезды: бывшие жены и мужья российских артистов с тяжелой судьбой Жизнь после звезды: бывшие жены и мужья российских артистов с тяжелой судьбой

Трагическая гибель, нищета и алкоголизм — что стало с бывшими супругами артистов

Cosmopolitan
Открыть в приложении