НЕВИДАННЫЕ МАТЕРИАЛЫ Компьютерное моделирование ускоряет разработку веществ с особыми свойствами

Ученые пользуются передовыми средствами моделирования для манипулирования материалами на молекулярном уровне, увеличивая тем самым скорость, с которой материалы преобразуют современный мир, и создавая ранее немыслимые изделия.

Компьютерное моделирование во многом изменило принципы разработки новых материалов, в состав которых входят стекло, металлы, керамика, полимеры, адгезивы, композиты и многое другое.

Возьмем, к примеру, стекло. Несмотря на более чем 6 000-летнюю историю производства, разные виды стекла отличаются на атомарном уровне, из-за чего их свойства непросто спрогнозировать. До недавних пор ученым удавалось изобрести новые виды стекла исключительно путем сочетания кремния с другими веществами, с последующим нагреванием до высоких температур и тестированием результата.

«Раньше все решалось путем физического эксперимента», - говорит Джон Мауро, научный сотрудник в составе рабочей группы компании Corning Incorporated из Корнинга, Нью-Йорк (США). «Теперь мы можем опираться на научные принципы».

Компании типа Corning активно пользуются передовым программным обеспечением и мощной вычислительной техникой для оценки и манипулирования материалами на атомарном и субатомном уровне. Для создания фирменного ударопрочного стекла Corning Gorilla Glass исследователи построили компьютерную модель взаимосвязей между атомами, чтобы подкорректировать состав материала. Благодаря прогнозному компьютерному моделированию, отмечает Мауро, «мы наблюдаем возрождение технологий создания стекла».

ГИБКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Стекло – не единственный материал, которому уделено столько внимания. Революция наметилась и в бытовой электронике, а инициаторами выступают университеты Акрон и Кейс Вестерн Резерв, Огайо (США), которые придали гибкость привычно жестким полимерам для блоков электроники.

“ЕСЛИ ХОТИТЕ ПОЛУЧИТЬ КОНКРЕТНЫЙ ТИП МОЛЕКУЛ, БЫСТРЕЕ ВСЕГО ВОСПОЛЬЗОВАТЬСЯ КОМПЬЮТЕРНЫМИ СРЕДСТВАМИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ПОСТАНОВКИ ЭКСПЕРИМЕНТОВ”

САНЬЯ МЕХТА РУКОВОДИТЕЛЬ ЦЕНТРА ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ, AIR PRODUCTS

Ученые «используют компьютеры и специальные программы для моделирования множественных взаимодействий, функционализируя полимеры», - говорит Тим Фахей, директор по ускорению кластеров для гибкой электроники в организации экономического развития Nortech. «Речь идет об оптимизации структуры на уровне наночастиц, в результате чего материал обретает новые свойства».

Отчасти новые свойства реализованы в составе появившейся не так давно носимой электроники, в том числе такой, которую можно включать прямо в состав ткани. «Нас нагоняет новая волна электроники, когда свершается переход от мобильного к носимому формату», - говорит Фахей. «Главное тут – сделать вещь мягкой,
ведь носить придется близко к коже».

НАНОСХЕМЫ

Электроника становится компактнее и мощнее с тех самых пор, когда ведущие производители микроэлектроники попросили компанию Air Products из Аллентауна, Пенсильвания (США) изобрести химические вещества с молекулами меньшего размера, которые способны обеспечить травление и чистку схем на чипах субнанометрового масштаба.

Санья Мехта, руководитель центра вычислительного моделирования в Air Products, говорит, что поначалу молекулы работали исключительно в компьютерных моделях, а уж потом перебрались в реальный мир. «Если хотите получить конкретный тип молекул, быстрее всего воспользоваться компьютерными средствами проектирования и постановки экспериментов», - говорит Мехта. «Эффективность потрясающая. Вместо проведения физических опытов в лаборатории мы экспериментируем на компьютере».

Мощность компьютеров для столь сложных вычислений измеряется количеством операций с плавающей точкой, производимых за секунду (FLOPS). Air Products использует серверный пул производительностью несколько терафлоп или 10 в 12 степени, что равно 1 триллиону операций в секунду.

Благодаря возможностям прогнозного компьютерного моделирования материаловедение буквально лучится инновациями, а плоды пожинает весь цивилизованный потребительский рынок. ◆

автор статьи Уильям Дж. Хольстейн Вернуться к началу страницы
автор статьи Уильям Дж. Хольстейн