Статья продается только в составе журнала

1878 г. Томас Эдисон вознамерился усовершенствовать электрическое освещение. Чтобы создать компактные лампы, пригодные для использования в помещениях, ему нужно было найти долговечный, выделяющий мало тепла и потребляющий малую мощность материал для светящегося элемента. Руководствуясь в основном интуицией, он взялся испытывать тысячи углеродсодержащих материалов — самшит, скорлупу кокосовых орехов и даже волосы из бороды своего лаборанта. Через 14 месяцев он запатентовал лампу с нитью накаливания из обугленной хлопковой нити. Пресса назвала это «триумфом великого изобретателя в деле электрического освещения». Однако для нитей накаливания существовали и более подходящие материалы. На рубеже столетий другой изобретатель, Александр Лодыгин, создал вольфрамовую нить накаливания, которая и по сей день применяется в лампах. Хлопковая нить Эдисона ушла в прошлое. Со времен Эдисона материаловедение — наука о создании новых полезных форм вещества — прошло долгий путь. Квантовая механика дала ученым глубокое понимание поведения вещества и, следовательно, больше возможностей направлять исследования с помощью теории, а не предположений. Но разработка новых материалов все же остается делом кропотливым, долгим и дорогим. Компании вкладывают в это дело миллиарды, но успехи редки и разрозненны. Как установил наш коллега из Массачусетсского технологического института Томас Игар (Thomas Eagar), чтобы пройти путь от лабораторных испытаний до практического применения, даже удачным материалам требуется 15–20 лет. Так, когда компания Sony объявила в 1991 г. о выпуске на рынок литий-ионных аккумуляторов, это казалось внезапным огромным прорывом, но чтобы совершить его, потребовались почти два десятилетия работы сотен тысяч исследователей, сопровождавшейся блужданиями и отступлениями. Однако сегодня материаловедение находится на пороге революции. Появилась возможность использовать результаты столетия развития физики и информатики, чтобы вырваться за рамки «эдисоновского» процесса. Экспоненциальный рост мощности вычислительной техники в сочетании с результатами работы, выполненной в 1960-х и 1970-х гг. Уолтером Коном (Walter Kohn) и покойным Джоном Поплом (John Pople), которые разработали упрощенные, но точные решения уравнений квантовой механики, открыл возможность разработки новых материалов с чистого листа с использованием суперкомпьютеров и основных законов физики. Этот метод был назван высокопроизводительным компьютерным конструированием материалов (ВККМ). Идея его проста: использование суперкомпьютера для одновременного виртуального изучения сотен тысяч химических соединений позволяет быстро и эффективно выискивать наилучшие строительные блоки для новых материалов, будь то электрод аккумулятора, сплав или новый тип полупроводника. Большинство материалов состоят из ряда химических соединений. Хорошим примером могут служить электроды аккумуляторов — композиты из нескольких соединений. Но есть и гораздо более простые материалы, например графен, который позиционируют как будущее электроники: он представляет собой всего лишь моноатомный слой углерода. Однако независимо от степени сложности материала есть одна вещь, остающаяся истиновсегда: его свойства — плотность, твердость, блеск, электропроводность и др. — определяются квантовыми характеристиками атомов, из которых он состоит. Поэтому первым шагом ВККМ становится виртуальное «выращивание» новых материалов путем выполнения тысяч квантово-механических вычислений. Суперкомпьютер выстраивает сотни и тысячи виртуальных кристаллических структур из виртуальных атомов. Затем мы рассчитываем свойства этих виртуальных соединений. На что похожи получаемые кристаллические структуры? Насколько они жестки? Как они поглощают свет? Что происходит, когда мы их деформируем? Диэлектрики они или металлы? Мы поручаем компьютеру поиск среди полученных соединений тех, которые обладают нужными нам свойствами, и вскоре перспективные соединения выводятся в верхнюю часть списка. В конце процесса данные, полученные в ходе этого исследования, заносятся обратно в базу данных, в которой исследователи смогут затем вести поиски. С 2011 г. мы возглавляем сотрудничество исследователей под названием Materials Project, направленное на ускорение компьютерной революции в материаловедении. Его цель — создание общедоступных бесплатных баз данных, содержащих фундаментальные термодинамические и электрические свойства всех известных неорганических соединений. На сегодня мы рассчитали основные свойства (строение кристаллической решетки, электрические свойства, оптическую прозрачность и т.п.) почти всех из примерно 35 тыс. известных природных неорганических соединений. Кроме того, мы рассчитали свойства нескольких тысяч соединений, существующих только в теории. Сейчас для доступа к этим данным зарегистрировалось около 5 тыс. ученых, которые используют их в целях разработки новых материалов для солнечных элементов, источников тока и других технологий. Рассматриваемый подход применяем не только мы. Консорциум исследователей во главе со Стефано Кортароло (Stefano Cortarolo) из Университета Дьюка рассчитал десятки тысяч сплавов. Их результаты могут привести к созданию более легких и прочных автомобильных рам, строительных балок для небоскребов, обшивки самолетов и т.п. А проект QuantumMaterialsInformaticsProject, в котором участвуют исследователи из Аргоннской национальной лаборатории, Стэнфордского университета и Технологического университета Дании, использует высокопроизводительные вычисления для изучения очень важных для энергетики каталитических процессов на поверхностях металлов. В ближайшем будущем материаловеды станут использовать высокопроизводительные вычисления для проектирования почти всего на свете. Мы уверены, что это приведет к появлению технологий, которые изменят наш мир, — к прорыву, который преобразует вычислительную технику, исключит загрязнения, обеспечит обилие чистой энергии и улучшит наши жизни способами, которые сегодня даже трудно вообразить.

Подробнее читайте на страницах журнала "В мире науки" №2_2014