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

Солнце вместо паруса Солнце вместо паруса

Новый катамаран на солнечных панелях готовится к штурму Атлантики

Популярная механика
Обувь плюс носки: носить или нет? Обувь плюс носки: носить или нет?

Почему на наших просторах носки в сочетании с туфлями вызывают отторжение

Cosmopolitan
Письмо главного редактора Письмо главного редактора

Мы в мире гаджетов. Не они в нашем – уже нет. Устоявшаяся реальность

Правила жизни
Почему мы совершаем ошибки? 8 книг о том, как это понять и исправить Почему мы совершаем ошибки? 8 книг о том, как это понять и исправить

Как избавиться от ошибок, при которых страдают отношения с детьми и любимыми

Psychologies
Разбор провальных технологий: технопатологоанатом Разбор провальных технологий: технопатологоанатом

Истории, которые могли бы стать прорывными, но так и не стали

ТехИнсайдер
Как должен выглядеть идеальный летний опен-эйр: объясняем на примере Flow Festival Как должен выглядеть идеальный летний опен-эйр: объясняем на примере Flow Festival

Неделю назад в Хельсинки отгремел Flow Festival

Esquire
Московский бизнесмен хочет выпустить криптовалюту для борьбы с рабством Московский бизнесмен хочет выпустить криптовалюту для борьбы с рабством

Криптовалюта HumanCoin фонда «Альтернатива» должна помочь в искоренении рабства

РБК
Спешите жить Спешите жить

Лучшие отели Риги, Барселоны, Бодрума, Мюнхена и Амстердама

The Rake
Toyoya C-HR. Эксцентрик Toyoya C-HR. Эксцентрик

Новый мини-кроссовер Toyota C-HR

АвтоМир
Как ошибки помогают найти себя Как ошибки помогают найти себя

Совершенные ошибки могут подсказать, чего мы хотим на самом деле

Psychologies
Нужно себе позволить Нужно себе позволить

Сравнительный тест Genesis G90 и Volvo S90

АвтоМир
Под гипнозом: правда и мифы о гипнозе Под гипнозом: правда и мифы о гипнозе

В глубоком гипнотическом сне человек полностью подчиняется воле гипнотизера

Популярная механика
Психолог для будущей мамы Психолог для будущей мамы

В каких случаях будущей маме стоит обращаться к психологу

9 месяцев
Только спокойствие: влияние стресса на кожу Только спокойствие: влияние стресса на кожу

Каких проблем с кожей можно избежать, сократив количество стресса в жизни?

Psychologies
Привет, сентябрь! Привет, сентябрь!

Осень – не только школьные заботы и сплошные обязанности

Домашний Очаг
Сон в жаркую летнюю ночь. В прокате новый хит с Тимоти Шаламе Сон в жаркую летнюю ночь. В прокате новый хит с Тимоти Шаламе

“Жаркие летние ночи” — сказка с очень печальным концом

Esquire
ЭТО ПАРТААА!!! 7 проблем, с которыми может столкнуться в школе твой ребенок, и как их тебе решить ЭТО ПАРТААА!!! 7 проблем, с которыми может столкнуться в школе твой ребенок, и как их тебе решить

7 проблем, с которыми может столкнуться в школе ребенок, и как их решить

Maxim
Другая девушка Другая девушка

Внучка народного артиста и дочь московской красавицы Лиза Янковская

Tatler
Как начать жить с девушкой и не разругаться: 6 жизненно важных правил Как начать жить с девушкой и не разругаться: 6 жизненно важных правил

Если вы начинаете жить вместе, вернуться к прошлой жизни становится труднее

Playboy
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
Остроумные кинетические гаджеты Никласа Роя Остроумные кинетические гаджеты Никласа Роя

Работы немца Никласа Роя

Популярная механика
Лучшие концерты фестиваля Flow 2018 Лучшие концерты фестиваля Flow 2018

Flow 2018. Хельсинки встречали кинодив, ретро-рокеров и рэперов-скромников

Cosmopolitan
Деньги под лупой: кому нужна новая амнистия капитала Деньги под лупой: кому нужна новая амнистия капитала

Объявленная российским правительством амнистия капитала истекает через полгода

Forbes
Супермен без трико, Айронмен на коленях: художница обнажает сексизм в комиксах Супермен без трико, Айронмен на коленях: художница обнажает сексизм в комиксах

Студентка рисует мужских персонажей Marvel и DC в сексистских позах

Playboy
Generation Z Generation Z

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

OK!
Уральские приключения Уральские приключения

Путешествие по удивительному Пермскому краю на кроссовере Ford Ecosport

АвтоМир
Skoda Superb II: чешское темное Skoda Superb II: чешское темное

Запас прочности Skoda Superb II

АвтоМир
Зеленая контрреволюция: как цены на продукты влияют на гены Зеленая контрреволюция: как цены на продукты влияют на гены

Человечество стоит на пороге «Зеленой революции 2.0»

Forbes
Почему вейп в 2018 году — это актуально и востребованно Почему вейп в 2018 году — это актуально и востребованно

Объясняем на гифках, почему вейп так актуален

Esquire
10 фильмов о гигантских монстрах, которые ты мог случайно упустить 10 фильмов о гигантских монстрах, которые ты мог случайно упустить

10 титанических мегамонстров, которых ты, скорее всего, не заметил

Maxim
Открыть в приложении