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

Пластмассовая армия Пластмассовая армия

Сборные модели с высокой степенью детализации и технической достоверности

Популярная механика
Топ-10 ошибок, которые совершают родители Топ-10 ошибок, которые совершают родители

Родительство — это работа на полный день без всякого обучения

Psychologies
Рисующие роботы Пиндара ван Армана Рисующие роботы Пиндара ван Армана

Может ли робот стать художником

Популярная механика
«Я живу одна»: какие плюсы в отсутствии соседей по квартире? «Я живу одна»: какие плюсы в отсутствии соседей по квартире?

Каково это — жить одной в квартире?

Psychologies
Не просто фантастика Не просто фантастика

Городской тест-драйв беспилотного автомобиля

Популярная механика
Иллюзия стабильности: что происходит с биткоином и другими криптовалютами Иллюзия стабильности: что происходит с биткоином и другими криптовалютами

Августовское затишье на криптовалютном рынке

Forbes
Мир-кольцо Мир-кольцо

Земли в форме бублика: добро пожаловать на обруч и пончик

Популярная механика
Деревянные боевые машины Майкла Ри Деревянные боевые машины Майкла Ри

Больше всего скульптора Майкла Ри увлекает идея путешествия во времени

Популярная механика
Точечный старт Точечный старт

История отечественного авиаконструктора – Владимира Мясищева

Популярная механика
Фельдшера на вас нет Фельдшера на вас нет

Как реанимировать умирающую деревню — техника выживания

Русский репортер
Длинные руки «Буяна» Длинные руки «Буяна»

В 2015 году мы узнали, что наносить ракетные удары можно из Каспийского моря

Популярная механика
Неправильные привычки питания: советы диетолога Неправильные привычки питания: советы диетолога

На многие неправильные привычки питания мы просто не обращаем внимания

9 месяцев
Пока не было света Пока не было света

Предыстория солнца и солнечной системы

Популярная механика
Крутящий момент Крутящий момент

О пачке макарон, совершившей большое путешествие

Огонёк
Яндекс.Станция Яндекс.Станция

Вот уже неделю Яндекс.Станция живет у меня дома

Популярная механика
В потоке В потоке

Самые интересные новинки дизайна мебели и оборудования для ванных комнат

SALON-Interior
Заплечных дел мастер Заплечных дел мастер

Почти бесконечный боезапас за спиной

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
Карта дня беспилотника Карта дня беспилотника

Как города России готовятся к появлению беспилотных автомобилей

Популярная механика
8 способов разрезать и съесть арбуз 8 способов разрезать и съесть арбуз

В поедании арбуза только одно незыблемое правило: его положено есть ртом

Maxim
У Солнца под боком У Солнца под боком

О том, какие загадки должен решить меркурианский зонд

Популярная механика
Самый SOK: миллиардер Игорь Рыбаков расширяет сеть коворкингов Самый SOK: миллиардер Игорь Рыбаков расширяет сеть коворкингов

Миллиардеры верят в будущее смарт-офисов

Forbes
Самая древняя Русь Самая древняя Русь

Животный мир давно минувших эпох

Популярная механика
«Она любит...» «Она любит...»

Элем Климов и Лариса Шепитько. Красивейшая пара советского кинематографа

GALA Биография
Картонная инженерия Даниеля Агдага Картонная инженерия Даниеля Агдага

Австралийский художник Даниель Агдаг делает скульптуры из картона

Популярная механика
Night. Мнение Night. Мнение

Главреды, превратившие глянец в «островок роскошной жизни», уходят

SNC
Незастывающее слово Незастывающее слово

Языку так тяжело в тисках учебников и словарей

Популярная механика
Че­ло­век, ко­то­рый из­ме­нил всех Че­ло­век, ко­то­рый из­ме­нил всех

Ольга Михайловская встретилась с создателями картины «Секс, мо­да и дис­ко»

Vogue
Прививка или смерть Прививка или смерть

Создание эффективной вакцины против ВИЧ заняло почти 40 лет

Популярная механика
Не можешь придумать рифму к слову «жуй»? 8 советов, как развить креативность Не можешь придумать рифму к слову «жуй»? 8 советов, как развить креативность

Креативность — это способность человека ломать привычные шаблоны

Playboy
Открыть в приложении