Мы живем в окружении сверхтехнологичных материалов и хим веществ, которые разрешают работать нашим батареям, солнечным элементам, мобильникам. Но разработка новейших технологий просит существенных вложений времени, средств, а время от времени и рискованных тестов.
К счастью, сейчас у нас есть секретное орудие, которое дозволяет нам сберегать время, средства и не рисковать: компы.
Благодаря закону Мура и ряду прорывов в области физики, химии, компьютерных наук и арифметики за крайние 50 лет, мы можем перенести кучу тестов на компы и употреблять только моделирование. Оно дозволяет нам испытывать хим вещества, препараты и сверхтехнологичные материалы на компах еще до сотворения в лаборатории, что сохраняет время и средства и понижает опасности. Но чтоб на сто процентов отрешиться от лабораторий, нам необходимы компьютерные модели, которые будут довольно надежды, чтоб обеспечивать нам только правильные результаты. А это тяжело.
Содержание
- 1 Превосходная задачка
- 2 Квантово-механическое моделирование набирает обороты
- 3 Новейшие препядствия требуют новейших решений
- 4 Ужаснее буквально не будет
Превосходная задачка
Почему тяжело? Поэтому что химия — это квантовая механика взаимодействующих электронов, в базе которой обычно лежит уравнение Шредингера — и просит колоссальных размеров памяти и времени на моделирование.
К примеру, чтоб изучить взаимодействие 3-х молекул воды, нам необходимо сохранить около 1080 фрагментов данных и сделать минимум 10320 математических операций. Это означает, что нам придется ожидать ответа до конца дней Вселенной. Как-то неловко совершенно.
Но это неудобство решается 3-мя большими прорывами, которые разрешают современным компьютерным моделям очень буквально оценивать действительность и не растрачивать на это млрд лет.
Поначалу Пьер Хоэнберг, Уолтер Кон и Лу Чью Шам перевернули эту делему взаимодействия с ног на голову в 1960-х годах, значительно упростив и улучшив теорию за счет аппроксимации. Они проявили, что электрическая плотность — квантовомеханическая возможность, которую относительно нетрудно высчитать — это все, что для вас необходимо, чтоб найти все характеристики квантовой системы.
Выходит, что для 3-х молекул воды нам необходимо всего 3000 фрагментов данных и около 100 млрд математических операций.
Потом, в 1970-х, Джон Попл и его коллеги отыскали очень разумный метод упрощать способ расчета, используя математические и вычислительные сокращения. Число фрагментов данных для 3-х молекул воды сократилось до 300. Расчеты — до 100 миллионов операций. Суперкомпьютеру 1975 года на таковой расчет пригодилось бы две секунды, но современный телефон в состоянии сделать это в 500 раз резвее.
В конце концов, в 1990-х годах группа ученых выдумала несколько обычных способов аппроксимации весьма сложных физических взаимодействий с умопомрачительно высочайшей точностью.
Современные компьютерные модели работают стремительно и точности, фактически постоянно и во всех вариантах.
Квантово-механическое моделирование набирает обороты
Компьютерное моделирование конвертирует химию. Резвый взор на хоть какой хим журнальчик из не так давно вышедших указывает, как много экспериментальных работ сегодня включают результаты моделирования.
Теория функционала плотности (DFT) — это техническое заглавие самого всераспространенного способа моделирования — упоминается в 15 000 научных работ, размещенных в 2015 году. Ее воздействие будет лишь расти по мере улучшения компов и теории.
Моделирование сейчас употребляется для выявления хим устройств, выявления подробной инфы о системах, которая укрыта от тестов, и предложения новейших материалов, которые потом могут быть изготовлены в лаборатории.
Посреди в особенности увлекательных примеров можно отметить, что компы смогли предсказать, что молекула C3H+ (пропинилидин) была несет ответственность за ряд странноватых астрономических наблюдений. На Земле C3H+ никогда не следили. Когда позже молекулу сделали в лаборатории, ее поведение было в точности как демонстрировало моделирование.
Новейшие препядствия требуют новейших решений
Все это отлично, но развитие графена выявляет суровый недочет у имеющихся моделей. Графен и подобные двумерные материалы не складываются, как большая часть хим веществ. Заместо этого они удерживаются силами Ван-дер-Ваальса, которые не врубаются в обычные модели. Логично, что эта брешь привела к всплеску энтузиазма в компьютерном моделировании сил Ван-дер-Ваальса.
Например, один интернациональный проект был посвящен использованию сложного моделирования для определения энергии, приобретенной в процессе формирования графита из слоев графена. Эту энергию до сего времени не смогли найти экспериментально. Либо вот: двумерные материалы можно ложить как LEGO, что очень впечатляет с технологической точки зрения. Но есть фактически нескончаемое число методов упорядочить эти стеки. Не так давно была разработана стремительная и надежная модель, используя которую комп может прочесывать огромные количества разных порядков в поисках наилучшего для определенной задачки. В настоящей лаборатории это было бы нереально.
На другом фронте, перенос электронного заряда в солнечных элементах также трудно изучить с существующими способами, а означает, эти модели не в особенности работают в таком принципиальном поле, как зеленоватые технологии.
Что еще ужаснее, перспективные (но небезопасные) перовскитные солнечные ячейки на базе свинца включают силы Ван-дер-Ваальса и перенос заряда сразу. Исследователи пробуют решить этот вопросец изо всех сил, но из него также вытекают препядствия магнетизма и проводимости.
Ужаснее буквально не будет
Конечная цель компьютерного моделирования — поменять опыты фактически на сто процентов. Тогда мы сможем создавать опыты на компе буквально так же, как люди делают объекты в Minecraft. Данной нам конечной цели практически удалось достигнуть в 1990-х годах, если б экспериментаторы не пришли к графену и перовскитам, которые проявили недочеты в имеющихся теориях. Может быть, 2020-е годы будут крайним десятилетием, когда опыты будут проводиться только на компах. Ради таковой модели стоит работать.
