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

Кто спасет МКС Кто спасет МКС

МКС может завершить работу через шесть лет. Что будет дальше?

Популярная механика
На этот раз по-настоящему: открыто новое свойство воды На этот раз по-настоящему: открыто новое свойство воды

Физики обнаружили ранее неизвестное свойство воды, связанное с транспортом ионов

Forbes
Когда погаснет БАК Когда погаснет БАК

Мегапроекты, которые придут на смену Большому адронному коллайдеру

Популярная механика
Что иностранцы думают о музыке Виктора Цоя и «Кино» Что иностранцы думают о музыке Виктора Цоя и «Кино»

Что думают о Цое европейцы, американцы и жители иных загадочных континентов

Maxim
Квантовое превосходство Квантовое превосходство

В IT сложилась предреволюционная ситуация

Популярная механика
Антон Хабаров. На двоих одно дыхание Антон Хабаров. На двоих одно дыхание

История любви актера Антона Хабарова

Караван историй
Топор плывет Топор плывет

В середине прошлого десятилетия в море вышло судно странной наружности

Популярная механика
Dior представил аромат JOY, лицом которого стала Дженнифер Лоуренс Dior представил аромат JOY, лицом которого стала Дженнифер Лоуренс

Дженнифер Лоуренс стала лицом нового аромата JOY от Dior

Cosmopolitan
Проект Guido Проект Guido

Ничего подобного в России прежде не строили

Популярная механика
Porsche 911 GT3 RS Porsche 911 GT3 RS

Porsche 911 GT3 RS. Последний из фирменных могикан с атмосферным мотором

Quattroruote
Новая бронетанковая доктрина Новая бронетанковая доктрина

О зарождении новой бронетанковой доктрины

Популярная механика
Стартап из Санкт-Петербурга делает из школьников «цифровых джедаев» Стартап из Санкт-Петербурга делает из школьников «цифровых джедаев»

Стартап, выпускающий оборудование для кружков робототехники

РБК
Мир-кольцо Мир-кольцо

Земли в форме бублика: добро пожаловать на обруч и пончик

Популярная механика
Эликсир мудрости Эликсир мудрости

Елена Толстая о том, как воспитать в себе уверенность и исполнить свои желания

OK!
Незастывающее слово Незастывающее слово

Языку так тяжело в тисках учебников и словарей

Популярная механика
Здравствуй, брошенное поколение! Здравствуй, брошенное поколение!

Писатель Виктор Ерофеев о «детях путча»

Огонёк
Стеклянные микробы Люка Джеррама Стеклянные микробы Люка Джеррама

Героев этих произведений не разглядеть без микроскопа

Популярная механика
Хороший год Хороший год

Как вести привычный образ жизни до родов и сохранить идеальную внешность после

Vogue
Ударные стройки науки Ударные стройки науки

Национальный научный фонд (NSF) опубликовал детальную статистику за 2016 год

Популярная механика
«Ему было нечего терять» «Ему было нечего терять»

Как Иван Крузенштерн возглавил первое российское кругосветное плавание

Огонёк
Ускоритель на орбите Ускоритель на орбите

Кто первым выкопал томагавк пучкового оружия, точно не известно

Популярная механика
Коварный поцелуй Коварный поцелуй

Ученые подсчитали, что во время поцелуев передается около 500 вирусов и бактерий

Лиза
Как победить хищника? Как победить хищника?

Навыки выживания, необходимые для победы над расой идеальных охотников

Популярная механика
Юбилейный Syntposium: от Тобиаса Фройнда до Кати Шилоносовой Юбилейный Syntposium: от Тобиаса Фройнда до Кати Шилоносовой

В Москве пройдет международный фестиваль музыкальных изобретений Synthposium

Maxim
Удар с небес Удар с небес

Javelin считают наиболее совершенным легким средством против бронетехники

Популярная механика
Дэвид Боуэн: художник, который рисует... мухами Дэвид Боуэн: художник, который рисует... мухами

Интересно, что рассказали бы нам растения и животные, если бы умели говорить

Популярная механика
Прививка или смерть Прививка или смерть

Создание эффективной вакцины против ВИЧ заняло почти 40 лет

Популярная механика
Insta-стиль по-английски: 7 модных аккаунтов из Великобритании Insta-стиль по-английски: 7 модных аккаунтов из Великобритании

Список стильных Instagram-аккаунтов из Британии. Подписываемся!

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

Машины для работы в самых экстремальных условиях

Популярная механика
Как менялась мода в России Как менялась мода в России

Вспоминаем, как менялась мода в России и при чем тут русский Vogue

Vogue
Открыть в приложении