Для чего применяют компьютерный дизайн материалов
От сверхпрочных сплавов до легких композитов, от биосовместимых полимеров до высокопроизводительных солнечных батарей — в основе многих достижений науки и техники лежат современные материалы. Расскажем, как их разрабатывают с помощью компьютерного моделирования.
Компьютерные модели позволяют предугадывать свойства материалов еще до того, как те будут созданы. Такой подход сочетает в себе фундаментальные знания в химии, физике, материаловедении и вычислительных технологиях. Вместо дедовского метода проб и ошибок ученые теперь могут прогнозировать атомарные структуры и их взаимодействия, предсказывая, как материал будет вести себя в реальных условиях.
В начале XX века квантовая механика дала ученым мощные инструменты для понимания поведения атомов и молекул. Но несмотря на теоретические успехи, до широкого внедрения вычислительных методов в материаловедение прошло много десятилетий. Лишь в конце XX века с развитием компьютерных технологий появилась возможность точнее предсказывать свойства сложных материалов. В это время активно стали развиваться методы молекулярной динамики и квантового моделирования, которые позволили ученым исследовать взаимодействия атомов на субатомном уровне. Сегодня благодаря тому, что процессоры становятся мощнее, а программы сложнее (чего стоят одни нейросети), компьютерный дизайн стал одним из главных инструментов материаловедов. Расскажем, где он применяется.
Первые попытки моделировать поведение атомов и молекул были ограничены недостаточной мощностью компьютеров
Фото: © Максим Блохин / ТАСС
Новые полимеры и композиты
Полимеры состоят из длинных цепей молекул. Они играют ключевую роль в производстве пластмасс, упаковочных материалов, текстиля. Благодаря компьютерному моделированию можно создавать такие вещества с особыми свойствами— например, с высокой устойчивостью к химическому воздействию, теплу или механическим повреждениям. Еще ИИ способен предсказывать новые сплавы и композиты для автомобильной и аэрокосмической промышленности, снижая вес и повышая прочность деталей.
USPEX российских ученых
Профессор РАН, заслуженный профессор Сколтеха Артем Оганов вместе с учениками разработал метод, позволяющий предсказывать кристаллическую структуру веществ, зная только химический состав материала. Такое моделирование применимо для прогнозирования как структур кристаллов и наночастиц, так и полимеров.
Артем Оганов, методом которого сегодня пользуются тысячи ученых по всему миру Фото: © Галкин Николай / ТАСС
«Я вижу компьютерный дизайн новых материалов как настольный инструмент любого материаловеда и инженера. На сегодня уже предсказано и верифицировано несколько десятков материалов с полезными свойствами», — отметил кристаллохимик и создатель метода USPEX Артем Оганов.
Лекарства и биоматериалы
В биомедицине компьютерное моделирование используется для разработки новых фармацевтических решений. Компьютерный дизайн позволяет предсказать взаимодействие лекарственных молекул с белками, что ускоряет процесс создания эффективных препаратов. Также с помощью моделирования создают биосовместимые материалы для протезов и имплантов для лучшей интеграции в человеческое тело.
Современный бионический протез — практически полноценное продолжение конечности
Фото: © Александра Погиба / NEWS.ru / TACC
Солнечные батареи и топливо
Компьютерный дизайн нашел применение и в создании новых технологий возобновляемой энергии. Например, можно смоделировать более эффективные материалы для солнечных панелей, которые позволят панелям лучше поглощать солнечную энергию и повысят их КПД. Также появляется возможность прогнозировать новые катализаторы, в том числе для топливных элементов, что повышает производительность этих устройств и делает их доступнее массовому пользователю.
Наноматериалы
Наноматериалы обладают уникальными свойствами, и с помощью компьютерного моделирования можно предсказать поведение наночастиц в определенных условиях. Это открывает перспективы для создания новых типов датчиков, высокоэффективных фильтров и сверхпрочных материалов для электроники. Подробнее о современных тенденциях в разработке наноматериалов читайте по ссылке.
Пять направлений развития нанотехнологий
ЧитатьМасштабным событием в области общей и прикладной химии, которое затронуло и область нанотехнологий, стал XXII Менделеевский съезд — одно из ключевых мероприятий, посвященных 190-летию великого русского ученого и 300-летию основания Российской академии наук. Съезд прошел на федеральной территории «Сириус».
Как прошел XXII Менделеевский съезд: технологический суверенитет, новые кадры и возрождение Минхимпрома
Читать
