Материальная заинтересованность

Сократить сроки разработки и внедрения в жизнь новых материалов учёным помогут суперкомпьютеры и свободный обмен информацией

Источник прогресса
Хорошо известно, что помимо человека на Земле существуют и другие живые существа (новокаледонский ворон, некоторые виды обезьян), способные изготавливать и использовать те или иные орудия труда.
Меж тем только для «хомо сапиенс» это умение стало залогом процветания рода и одной из главных отличительных черт как биологического вида.
Описывая историю человечества в терминах «каменный», «бронзовый» и прочие века, мы фактически признаем, что именно инструменты и материалы, из которых они изготовлены, определяли сущность нашей цивилизации на всех ее этапах.
Так, сегодня, например, «врожденные» достоинства и недостатки кремния как основы для производства полупроводниковых микросхем во многом формируют облик нынешней эпохи – эры информационных и телекоммуникационных технологий.
Но если раньше главную роль в открытии людьми искусственных материалов (бронзы, керамики и т.д.) играл случай, то в наше время создание новых видов пластика ли, сплавов или стекол является самостоятельной областью научного знания (материаловедение).
Работающие на стыке химии и физики, ученые-материаловеды изучают, как соотносятся строение и структура вещества с его свойствами (магнитными, оптическими, механическими и т.д.), а также как подобные полезные материалы могут быть синтезированы.
О текущем состоянии дел здесь и что ожидает материаловедение в будущем читайте далее в «Открытой».

Тяжкий труд
Неожиданные находки, в том числе новых соединений с уникальными свойствами, происходят в науке и сегодня. Так, по словам Андрея Гейма, первооткрывателя графена (чешуйки графита толщиной в один атом), получение этой необычной модификации углерода изначально не было целью его исследования.
В то же время ученые и инженеры, работающие над созданием материалов с заранее заданными характеристиками, в большинстве своем не склонны полагаться на случай.
Основная проблема здесь в том, что процесс поиска и получения таких соединений – занятие весьма трудоемкое, дорогостоящее и длительное. Слишком уж много факторов (состав, способ обработки, технология изготовления и т.д.) влияют на конечный результат.
Так, американскому изобретателю Томасу Эдисону (1847-1931) пришлось больше года тестировать несколько тысяч доступных ему на тот момент (1878) углеродсодержащих материалов (волокна кокоса, волоски из бороды ассистента и т.д.), дабы найти одно, наилучшим образом подходящее на роль нити накаливания в электрической лампе.
И по сей день, при всей «продвинутости» нынешней науки, синтез и исследование свойств одного-единственного нового соединения может запросто занять месяцы и годы.
В то же время, как показывает опыт, даже если полученное вещество окажется по-настоящему перспективным, пройдет еще 10-20 лет, прежде чем оно будет запущено в коммерческое производство. Так, открытый в 1938 году в США тефлон лишь в начале 1960-х дошел до массового потребителя в качестве антипригарного покрытия сковородок.

В поисках выхода
Подобное положение дел не может не беспокоить ученых, полагающих, что развитие многих передовых технологий (водородной энергетики, искусственного фотосинтеза и др.) сдерживается отсутствием подходящих материалов (по цене, эффективности, универсальности применения и т.д.).
Резко сократить время разработки таких соединений, считают специалисты, могли бы организация соответствующих баз данных и создание высокопроизводительных методов компьютерного моделирования и поиска новых материалов.
Иначе говоря, необходимы суперкомпьютеры, с одной стороны, и широкое международное сотрудничество – с другой. Серьезные вычислительные мощности требуются как для того, чтобы искать подходящих кандидатов среди уже существующих веществ, так и для «предсказания» структур, еще неизвестных ученым.
Условно говоря, мы знаем, к примеру, что теллурид свинца является на сегодня одним из лучших термоэлектриков (класс веществ, преобразующих тепло в электричество), токсичность и дороговизна которого, однако, существенно снижают его коммерческую ценность.
Между тем, имея представление о физических основах данного явления (превращение тепловой энергии в электрическую), можно попытаться с помощью компьютеров рассчитать, какие еще химические соединения будут вести себя схожим образом. Подобная «подсказка» поможет ученым сузить круг потенциальных кандидатов, отсеяв «пустышек».
Кооперация же усилий со стороны академических институтов, компаний и правительств разных стран необходима, полагают ученые, ввиду масштабности и важности поставленной задачи.
На сегодня в мире насчитывается порядка 500 тыс. различных неорганических соединений, в то время как, к примеру, только число теоретически возможных четырехкомпонентных систем (сплавов, смешанных оксидов и т.д.) оценивается примерно в 30 триллионов (30 с 12 нулями).
При этом, в идеале, каждое как реально существующее, так и теоретически предсказанное соединение должно быть охарактеризовано, т.е. найдены или рассчитаны строение, термодинамические свойства и электронная структура. Лишь в этом случае из тысяч и десятков тысяч возможных вариантов ученые смогут по определенным критериям отобрать те или иные материалы на роль, скажем, «улучшенных» полупроводников, более эффективных катализаторов или сверхлегких, но прочных сплавов.
На деле практическая реализация подобной всеобъемлющей информационной системы – задача весьма непростая. Работа с огромными массивами данных, необходимость выработки механизмов оценки их качества, оптимизация алгоритмов поиска и вопросы интеллектуальной собственности – вот лишь некоторые из проблем, с которыми сталкиваются ее разработчики.
Все эти трудности, однако, не смущают сторонников идеи высокопроизводительного компьютерного поиска и моделирования новых материалов. Вдохновение и пример для подражания они видят в успешно завершившемся недавно международном научном проекте «Геном человека».
Напомним, что менее чем за 15 лет (1990-2003) совместными усилиями десятков исследовательских групп из разных стран мира удалось определить последовательность всех 3 млрд. нуклеотидов («строительных блоков») нашей ДНК. Подобное масштабное международное сотрудничество должно быть налажено и в области материаловедения, считают многие ученые.
А пока в США президент Барак Обама в июне 2011 года объявил о запуске национальной программы «Геном материалов», в которой уже согласилось участвовать свыше 30 правительственных лабораторий, университетов и промышленных компаний.
Своей главной целью ее участники видят создание в стране такой научно-исследовательской инфраструктуры, которая позволила бы, по крайней мере, вдвое сократить время и расходы на разработку и внедрение в жизнь новых, улучшенных материалов.
Решать эту амбициозную задачу правительство планирует комплексно – как через использование упомянутых ранее компьютерных программ высокопроизводительного поиска и моделирования, так и путем подготовки соответствующих научно-технических кадров и наращивания парка необходимого лабораторного оборудования.

Первые шаги
«Геномную» инициативу Барака Обамы с энтузиазмом встретил профессор Стефано Картароло из Университета Дюка (США), один из самых влиятельных и убежденных сторонников компьютеризированного поиска и моделирования новых материалов. Начав работать в этой области более 10 лет назад, он, по его словам, впервые осознал всю мощь данной технологии в 2005 году.
В то время к нему обратились за помощью представители компании «Дюрасел». Наслышанные об успехах молодого ученого, посланники международной корпорации хотели знать, возможно ли, проанализировав свойства всех известных неорганических соединений, выбрать те, что лучше всего подходят на роль катода в щелочных батареях.
Ответ Картароло был «да» – при условии, что в его распоряжение предоставят суперкомпьютер. В компании «Дюрасел» без колебаний согласились и оплатили все то время, что требовалось ученому для проведения компьютерных вычислений.
В итоге, «просмотрев» свойства свыше 130 тысяч как реально существующих, так и гипотетических структур, профессор Картароло представил компании список из более чем двухсот соединений, характеристики которых, согласно расчетам, превосходили показатели используемых в то время катодных материалов.
История умалчивает, воспользовались ли ученые «Дюрасел» этой «наводкой», однако очевидно, что сама идея компьютерного поиска новых материалов сегодня завладела умами не только ученых и бизнесменов, но и политиков самого высокого уровня. По крайней мере, в США.

Александр ЛЕОНТЬЕВ