Материалы мечты.

Аннотация:

Идеи, меняющие мир.Нанотехнологии.Наноматериалы. С помощью суперкомпьютеров и уравнений квантовой механики ученые конструируют новые материалы атом за атомом еще до проведения экспериментов. Такие технические материалы, как кремний полупроводникового качества и стекло для оптических волокон, стали важнейшими элементами современного мира. Однако до последнего времени создание новых материалов требовало огромного количества трудоемкой и малоэффективной работы «на ощупь». ¦ Рациональные формы уравнений квантовой механики в сочетании с использованием суперкомпьютеров для решения этих уравнений позволяют проводить виртуальные испытания тысяч материалов одновременно, что исключает необходимость в этой работе вслепую. ¦ Сегодня исследователи используют метод высокопроизводительного вычислительного конструирования материалов (ВВКМ) для создания новых аккумуляторов, топливных элементов, микросхем и других технических устройств. 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 истиной всегда: 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. Мягкие роботы. Черви и осьминоги подсказали идею гибких машин, способных проникнуть туда, куда не доберутся металлические роботы. Эластомерный робот может помочь врачом проводить биопсию или ангиопластику, осторожно захватывая ткань или закрепляя стенки кровеносных сосудов, не повреждая их. Метаматериалы. Новые материалы, способные отклонять свет, могут привести к созданию. Структуры из микроскопических металлических колец и стерженьков могут отклонять, рассеивать или передавать электромагнитные волны такими способами, которые до сих были недоступными.

Авторы:

Издание: В мире науки
Год издания: 2014
Объем: 15с.
Дополнительная информация: 2014.-N 2.-С.70-84. Библ. 0 назв.
Просмотров: 54