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

Надежный рекордсмен Надежный рекордсмен

Сельскохозяйственные тракторы и рекорды «Ростсельмаша»

Популярная механика
Тело говорит Тело говорит

Татуировки хоть и стали общим местом, остаются делом сугубо личным

Glamour
Интеллект для самолета Интеллект для самолета

Многофункциональная боевая машина следующего поколения

Популярная механика
Лучшие шутки дня и чайный гриб! Лучшие шутки дня и чайный гриб!

Тотальный дайджест авторского юмора с авторской орфографией

Maxim
Киберпанки на природе Киберпанки на природе

Как устроена сцена фестиваля электронной музыки Alfa Future People 2018

Популярная механика
7 советов, которые помогут заснуть в самолете 7 советов, которые помогут заснуть в самолете

Что нужно делать, чтобы выспаться в самолете

Maxim
Как спрятать голову в железо Как спрятать голову в железо

История доспехов в европейском Средневековье и технология воссоздания в наши дни

Популярная механика
5 способов спасти отношения 5 способов спасти отношения

Как спасти перспективные отношения от самих себя

Psychologies
Техпарад Техпарад

Новости мира науки

Популярная механика
Зависит ли счастье от наличия партнера? Зависит ли счастье от наличия партнера?

Нам навязывают убеждение о том, что наличие отношений — залог счастливой жизни

Psychologies
Марс, пульс, температура Марс, пульс, температура

Зонд InSight: заглянуть внутрь Марса

Популярная механика
Жестокая правда: сколько стоит свидание и что ты можешь вместо него купить Жестокая правда: сколько стоит свидание и что ты можешь вместо него купить

Жестокая правда: сколько стоит свидание и что ты можешь вместо него купить

Playboy
Сколько можно спать? Сколько можно спать?

Еще несколько сотен лет назад европейцы спали дважды за сутки

Популярная механика
Преображение принца Гарри: от алковечеринок до сказочной свадьбы Преображение принца Гарри: от алковечеринок до сказочной свадьбы

Вспоминаем всё, что происходило с принцем-бунтарем за 33 года

Cosmopolitan
Картонная инженерия Даниеля Агдага Картонная инженерия Даниеля Агдага

Австралийский художник Даниель Агдаг делает скульптуры из картона

Популярная механика
Как выиграть в гонке со временем: 4 упражнения Как выиграть в гонке со временем: 4 упражнения

Почему бешеный темп портит нам жизнь и как научиться замедлять время

Psychologies
Дом во льдах Дом во льдах

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

Популярная механика
Игры разума Игры разума

Рассказываем, что такое синестезия и как ее применяют в парфюмерии

L’Officiel
Живые огни Живые огни

К растительным настольным лампам и деревьям-фонарям ведет несколько путей

Популярная механика
Исчезающие неизвестные Исчезающие неизвестные

О жизни и повадках панголинов мало что известно, но для начала их нужно спасти

GEO
Инфекция жизни Инфекция жизни

Направленная панспермия в вопросах и ответах

Популярная механика
Пузырь оптимизма Пузырь оптимизма

Фондовый рынок США бьет рекорды, в лидерах —высокотехнологические компании

Эксперт
Имею скафандр, готов путешествовать Имею скафандр, готов путешествовать

Скафандров для других планет у человечества нет даже в перспективе

Популярная механика
Николай Добрынин: «Мы с женой готовы обвенчаться!» Николай Добрынин: «Мы с женой готовы обвенчаться!»

Звезда сериала «Сваты» признался, почему ему пришлось обратиться к врачам

StarHit
Пока не было света Пока не было света

Предыстория солнца и солнечной системы

Популярная механика
Гулливеры нашего времени Гулливеры нашего времени

Сравнительный тест Chevrolet Traverse и Volkswagen Teramont

АвтоМир
Точечный старт Точечный старт

История отечественного авиаконструктора – Владимира Мясищева

Популярная механика
Faces&Laces 2018: как прошла выставка в этом году Faces&Laces 2018: как прошла выставка в этом году

В Парке Горького прошел двенадцатый интерактивный выставочный проект Faces&Laces

Cosmopolitan
Незастывающее слово Незастывающее слово

Языку так тяжело в тисках учебников и словарей

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
Открыть в приложении