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

Летающий фрегат Летающий фрегат

Российский проект транспортного беспилотника с вертикальными взлетом и посадкой

Популярная механика
Вредные иллюзии. Почему Европе не нужен американский газ Вредные иллюзии. Почему Европе не нужен американский газ

Сжиженный газ стремительно утекает с европейского рынка

Forbes
Пластмассовая армия Пластмассовая армия

Сборные модели с высокой степенью детализации и технической достоверности

Популярная механика
Взгляд отца: что он значит для мальчика? Взгляд отца: что он значит для мальчика?

Взгляд отца играет огромную роль в становлении личности ребенка

Psychologies
Заплечных дел мастер Заплечных дел мастер

Почти бесконечный боезапас за спиной

Популярная механика
«Экологичный» деним — для тех, кто бережет планету «Экологичный» деним — для тех, кто бережет планету

Три молодых модных бренда, которые дают старым джинсам новую жизнь

Vogue
Топор плывет Топор плывет

В середине прошлого десятилетия в море вышло судно странной наружности

Популярная механика
Еще раз влюбиться и перестать бояться новых отношений Еще раз влюбиться и перестать бояться новых отношений

Что делать, если после развода отношения не складываются

Домашний Очаг
Выход дракона Выход дракона

Впервые в истории лидером по количеству космических запусков станет Китай

Популярная механика
Generation Z Generation Z

Ольга Карпуть, владелица «KM 20», рассказывает, почему все говорят о поколении Z

OK!
Как спрятать голову в железо Как спрятать голову в железо

История доспехов в европейском Средневековье и технология воссоздания в наши дни

Популярная механика
5 лучших упражнений, чтобы иметь спину, как у Геракла 5 лучших упражнений, чтобы иметь спину, как у Геракла

5 лучших упражнений, чтобы иметь спину, как у Геракла

Playboy
Мусор и ветер Мусор и ветер

Каждый из нас производит сотни килограммов отходов в год

Популярная механика
То яма, то канава То яма, то канава

Как себя вести на дороге с плохим покрытием на примере Lada Vesta Cross

АвтоМир
Самая древняя Русь Самая древняя Русь

Животный мир давно минувших эпох

Популярная механика
Что смотреть на кинофестивале Center Что смотреть на кинофестивале Center

Документальные ленты, успевшие стать хитами

Vogue
Когда лайнер бьет хвостом Когда лайнер бьет хвостом

Авиаинциденты с «тейлстрайком»

Популярная механика
Визит к гинекологу: 30 признаков того, что вам нужно второе мнение Визит к гинекологу: 30 признаков того, что вам нужно второе мнение

В каких случаях необходимо записаться на консультацию к другому врачу

Домашний Очаг
Удар с небес Удар с небес

Javelin считают наиболее совершенным легким средством против бронетехники

Популярная механика
Лучшие друзья девушек: как появились первые вибраторы Лучшие друзья девушек: как появились первые вибраторы

Полтора века назад вибратор использовался исключительно в медицинских целях

Cosmopolitan
Конец всему Конец всему

Несколько вариантов сценария будущего для Вселенной

Популярная механика
Воля к победе Воля к победе

Интервью с Павлом Волей

Cosmopolitan
Яндекс.Станция Яндекс.Станция

Вот уже неделю Яндекс.Станция живет у меня дома

Популярная механика
Плохой хороший фитнес Плохой хороший фитнес

Пять самых полезных и пять вредных видов спортивных нагрузок для здоровья

Лиза
Имею скафандр, готов путешествовать Имею скафандр, готов путешествовать

Скафандров для других планет у человечества нет даже в перспективе

Популярная механика
Так по-английски Так по-английски

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

SALON-Interior
Техпарад Техпарад

Новости мира науки

Популярная механика
Школьная пора Школьная пора

Интервью с актрисой Александрой Ребенок, создающей одежду для школьников

OK!
Пока не было света Пока не было света

Предыстория солнца и солнечной системы

Популярная механика
Все не так, ребята: 5 типичных ошибок в уходе за кожей Все не так, ребята: 5 типичных ошибок в уходе за кожей

На что мы не обращаем внимания при уходе за кожей

Esquire
Открыть в приложении