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

Марс, пульс, температура Марс, пульс, температура

Зонд InSight: заглянуть внутрь Марса

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
Ударные стройки науки Ударные стройки науки

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

Популярная механика
Летучие ирландцы Летучие ирландцы

На Аранских островах до сих пор живут так, как жили древние кельты

Вокруг света
Надежный рекордсмен Надежный рекордсмен

Сельскохозяйственные тракторы и рекорды «Ростсельмаша»

Популярная механика
Лучшие шутки об уголовных делах за мемы! Лучшие шутки об уголовных делах за мемы!

Если репостнуть забавную картинку про религию, можно попасть в тюрьму

Maxim
Новая бронетанковая доктрина Новая бронетанковая доктрина

О зарождении новой бронетанковой доктрины

Популярная механика
Течет река Волга Течет река Волга

Едем из Москвы через «Золотое кольцо» с посещением Кинешмы

АвтоМир
_Не музыка еще, уже не шум _Не музыка еще, уже не шум

Как научить машину сочинять музыку и писать картины

Популярная механика
8 рецептов сытных блюд, которые не навредят твоей фигуре 8 рецептов сытных блюд, которые не навредят твоей фигуре

Как приготовить закуску, салат, суп и второе, не потратив на это кучу времени

Cosmopolitan
Нечеловеческая еда Нечеловеческая еда

Как делают сухой корм для животных

Популярная механика
Англоязычный твиттер узнал о меме Англоязычный твиттер узнал о меме

Не все поняли мем "А как тебе такое, Илон Маск?"

Esquire
Удар с небес Удар с небес

Javelin считают наиболее совершенным легким средством против бронетехники

Популярная механика
Что обязательно нужно купить к осени Что обязательно нужно купить к осени

Байеры самых модных магазинов советуют, что стоит приобрести

Vogue
Кто спасет МКС Кто спасет МКС

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

Популярная механика
Песнь пенсий Песнь пенсий

Про колонизацию Марса мы уже писали, а про пенсии – пока нет

Maxim
Стеклянные микробы Люка Джеррама Стеклянные микробы Люка Джеррама

Героев этих произведений не разглядеть без микроскопа

Популярная механика
Магия звука Магия звука

Как мантры дополняют практику йоги и как найти мантру, которая вам подходит

Yoga Journal
Пока не было света Пока не было света

Предыстория солнца и солнечной системы

Популярная механика
Шлифовщик хрусталя и другие необычные профессии на фронтах Второй мировой Шлифовщик хрусталя и другие необычные профессии на фронтах Второй мировой

Шлифовщик хрусталя и другие необычные профессии на фронтах Второй мировой

Maxim
Имею скафандр, готов путешествовать Имею скафандр, готов путешествовать

Скафандров для других планет у человечества нет даже в перспективе

Популярная механика
Проблемы на букву Z: как клиповое мышление мешает молодым сотрудникам Проблемы на букву Z: как клиповое мышление мешает молодым сотрудникам

У поколения Z на смену линейному типу мышления пришло клиповое

Forbes
Наука о прикосновениях Наука о прикосновениях

Белорусский стартап реализовал технологию передачи тактильных ощущений для VR

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
Незастывающее слово Незастывающее слово

Языку так тяжело в тисках учебников и словарей

Популярная механика
Найди 10 отличий: учимся отличать Найди 10 отличий: учимся отличать

Стилист Ольга Ким предлагает потренировать модную "насмотренность"

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

Машины для работы в самых экстремальных условиях

Популярная механика
Два гастрита Два гастрита

В чём причины гастрита и как его лечит тибетская медицина

Yoga Journal
У Солнца под боком У Солнца под боком

О том, какие загадки должен решить меркурианский зонд

Популярная механика
10 малоизвестных производителей самолётов Канады 10 малоизвестных производителей самолётов Канады

В Канаде далеко не одна фирма, производящая самолёты на любой вкус

Популярная механика
Открыть в приложении