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

Яндекс.Станция Яндекс.Станция

Вот уже неделю Яндекс.Станция живет у меня дома

Популярная механика
Строгость и справедливость Строгость и справедливость

Основатель компании Luciano Barbera о демократии в моде и хороших портных

The Rake
Когда погаснет БАК Когда погаснет БАК

Мегапроекты, которые придут на смену Большому адронному коллайдеру

Популярная механика
Нечеловеческая сила Нечеловеческая сила

Восемь суперспособностей, которые люди могут позаимствовать у животных

Русский репортер
Нашествие Нашествие

Кролики-убийцы и другие животные-захватчики

Популярная механика
Перед свадьбой: как нейтрализовать токсичную мать невесты? Перед свадьбой: как нейтрализовать токсичную мать невесты?

Семейный психотерапевт Рейчел Сассман рассказывает, как спасти свадьбу

Psychologies
Кошка на пути домой Кошка на пути домой

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

Популярная механика
Кое-что о природе авторитаризма: почему у людей так легко сгибаются колени и есть ли в этом какая-нибудь польза Кое-что о природе авторитаризма: почему у людей так легко сгибаются колени и есть ли в этом какая-нибудь польза

Авторитаризм — примерно то, что происходит сейчас в России

Maxim
Дом во льдах Дом во льдах

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

Популярная механика
Как еще на свадьбе понять, что брак будет крепким? Как еще на свадьбе понять, что брак будет крепким?

Наблюдения свадебных организаторов о потенциале брака

Psychologies
Спим на уроке: обучение в состоянии осознанного сновидения Спим на уроке: обучение в состоянии осознанного сновидения

Возможно, скоро мы сможем тренироваться, не вылезая из-под одеяла, прямо во сне

Популярная механика
Опасные технологии: как распознавание лица на смартфоне может привести к глобальной катастрофе Опасные технологии: как распознавание лица на смартфоне может привести к глобальной катастрофе

Как распознавание лица на смартфоне может привести к глобальной катастрофе

Forbes
КВ-1 к маршу готов КВ-1 к маршу готов

Танки, участвовавшие в битве на Неве

Популярная механика
11 актеров, которые были звездами спорта — от Хью Джекмана до Джорджа Клуни 11 актеров, которые были звездами спорта — от Хью Джекмана до Джорджа Клуни

Некоторые актеры были звездами школьных спортивных команд и стали спортсменами

Playboy
Техпарад Техпарад

Новости мира науки

Популярная механика
Сделка лета: сколько Галицкий заработал на продаже Смолова Сделка лета: сколько Галицкий заработал на продаже Смолова

Подробности главного трансфера лета-2018 в Российской премьер-лиге

Forbes
Картонная инженерия Даниеля Агдага Картонная инженерия Даниеля Агдага

Австралийский художник Даниель Агдаг делает скульптуры из картона

Популярная механика
12 неожиданных фактов о мастурбации 12 неожиданных фактов о мастурбации

Продолжаем наш небольшой ликбез о женской и мужской сексуальности

Cosmopolitan
Проект Guido Проект Guido

Ничего подобного в России прежде не строили

Популярная механика
Гори оно огнем: почему люксовые бренды уничтожают нераспроданные товары Гори оно огнем: почему люксовые бренды уничтожают нераспроданные товары

Burberry в этом году едва ли не лидер по количеству инфоповодов

Esquire
Знаки и смыслы Китая Знаки и смыслы Китая

Китайская иероглифика прекрасна чувствует себя даже в цифровую эпоху

Популярная механика
Почему мы сожалеем о разводе Почему мы сожалеем о разводе

Треть разведенных пар сожалеют о решении расстаться

Psychologies
Имею скафандр, готов путешествовать Имею скафандр, готов путешествовать

Скафандров для других планет у человечества нет даже в перспективе

Популярная механика
Как менялся стиль Джеффа Голдблюма Как менялся стиль Джеффа Голдблюма

Король уродливых галстуков, гуру классных причесок – все это один человек

GQ
Точечный старт Точечный старт

История отечественного авиаконструктора – Владимира Мясищева

Популярная механика
Ольга Бузова рассказала о чувствах к бывшему мужу Ольга Бузова рассказала о чувствах к бывшему мужу

Ольга Бузова рассказала о чувствах к бывшему мужу

Cosmopolitan
Как спрятать голову в железо Как спрятать голову в железо

История доспехов в европейском Средневековье и технология воссоздания в наши дни

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

Адвокат сестер Хачатурян о деталях убийства

Русский репортер
Пока не было света Пока не было света

Предыстория солнца и солнечной системы

Популярная механика
Одиночество в Сети Одиночество в Сети

Ежегодный топ-20 «СтарХита» посвящен самым запрашиваемым в Интернете мужчинам

StarHit
Открыть в приложении