Wir Leben in einer Welt voller High-Tech-Materialien und Chemikalien, die es ermöglichen, gemeinsam mit unseren Batterien, Solar-Elementen, mobilen Telefonen. Aber die Entwicklung neuer Technologien erfordert erhebliche Investitionen an Zeit, Geld und manchmal riskante Experimente.
Zum Glück, jetzt haben wir eine Geheimwaffe, die es uns ermöglicht, spart Zeit, Geld und nicht zu riskieren: Computer.
Dank dem Mooreschen Gesetz und einer Reihe von Durchbrüchen in der Physik, Chemie, informatik und Mathematik in den letzten 50 Jahren, können wir die Migration Haufen von Experimenten auf Computern und nutzen ausschließlich die Simulation. Sie ermöglicht es uns, die Prüfung von Chemikalien, Drogen und High-Tech-Materialien auf Computern, die noch vor der Erschaffung im Labor, dass spart Zeit und Geld und reduziert die Risiken. Aber um vollständig zu verzichten Labors, brauchen wir Computermodelle, die genug Hoffnung, um sicherzustellen, dass wir nur die richtigen Ergebnisse. Das ist keine leichte Aufgabe.
Eine gewaltige Aufgabe
Warum nicht einfach sein? Weil Chemie ist die Quantenmechanik wechselwirkenden Elektronen, deren Grundlage in der Regel liegt die Schrödinger-Gleichung — und erfordert enorme Mengen an Arbeitsspeicher und Zeit auf die Simulation.
Zum Beispiel, um zu studieren die Interaktion von drei Molekülen Wasser, wir müssen sparen etwa 1080 datenstücke und die machen mindestens 10320 mathematischen Operationen. Das bedeutet, dass wir müssen warten, bis die Antwort des Universums bis zum Ende der Tage. Irgendwie ganz unangenehm.
Aber es ist ein ärgernis gelöst drei großen Durchbrüchen, die es erlauben moderne Computer-Modelle sehr genau die Realität beurteilen zu können und nicht erst Milliarden Jahre alt ist.
Zuerst Pierre Hohenberg, Walter Kohn und Lu Dessen Sham drehte dieses Problem der Wechselwirkung auf den Kopf gestellt in den 1960er Jahren, im wesentlichen Vereinfachung und Verbesserung der Theorie durch approximation. Sie zeigten, dass die elektronische Dichte — квантовомеханическая die Wahrscheinlichkeit, die relativ einfach zu berechnen — das ist alles, was Sie brauchen, um zu bestimmen, die alle Eigenschaften der Quanten-System.
Kommt heraus, dass für die drei Moleküle Wasser, wir müssen nur noch 3000 Stücke von Daten und etwa 100 Milliarden Rechenoperationen.
Dann, in den 1970er Jahren, John Попл und seine Kollegen fanden eine sehr sinnvolle Art zu vereinfachen Berechnungsverfahren, mit Hilfe von mathematischen und EDV-Abkürzungen. Die Anzahl der Fragmente von Daten für die drei Moleküle des Wassers sank auf 300. Berechnungen — bis zu 100 Millionen Operationen. Supercomputer 1975 auf eine solche Berechnung dauerte nur zwei Sekunden, aber ein modernes Handy machen kann ist 500 mal schneller.
Schließlich, in den 1990er Jahren eine Gruppe von Wissenschaftlern kam zu einigen einfachen Methoden, approximation der sehr komplexen physikalischen Wechselwirkungen mit erstaunlich hoher Präzision.
Moderne Computer-Modelle arbeiten schnell und Präzision, praktisch immer und in allen Fällen.
Quanten-mechanische Modellierung gewinnt an Dynamik
Computersimulation wandelt Chemie. Ein kurzer Blick auf eine beliebige Chemische Zeitschrift der kürzlich veröffentlichten zeigt, wie viele experimentelle arbeiten jetzt die Ergebnisse der Simulation umfassen.
Die Theorie der funktionalen Dichte (DFT) ist der technische name des verbreiteten Verfahren der Modellierung — erwähnt 15 000 wissenschaftliche arbeiten, die im Jahr 2015. Ihr Einfluss noch größer wird die Verbesserung der Computer und der Theorie.
Simulation wird heute verwendet für die Ermittlung der chemischen Mechanismen, die Ermittlung von Informationen über diese Systeme, die verborgen Experimente und Vorschläge für neue Materialien, die dann gemacht werden können, im Labor.
Unter den besonders interessanten Beispielen kann man bemerken, dass die Computer konnten voraussagen, dass das Molekül C3H+ (пропинилидин) war verantwortlich für eine Reihe von seltsamen astronomischen Beobachtungen. Auf der Erde C3H+ noch nie beobachten. Wenn später ein Molekül erstellt im Labor, Ihr Verhalten war genau so, wie die Simulation hat gezeigt.
Neue Probleme erfordern neue Lösungen
Dies ist alles richtig, aber die Entwicklung des Graphen bringt den gravierenden Nachteil bei den bestehenden Modellen. Graphen und ähnlichen zweidimensionalen Materialien addieren sich nicht, wie die meisten Chemikalien. Stattdessen hielten Sie durch die Van-der Waals-Kräfte, die nicht Bestandteil der Standard-Modelle. Kein Wunder, dass diese Lücke führte zu einem Wiederaufleben des Interesses in der Computer-Simulation Kräfte Van-der-Waals.
Zum Beispiel, ein internationales Projekt wurde mit der Verwendung von komplexen Simulation zur Bestimmung der Energie, die in den Prozess der Bildung von Graphit aus Schichten von Graphen. Diese Energie bisher nicht experimentell bestimmen konnten. Oder hier: zweidimensionale Materialien können Hinzugefügt werden, wie LEGO, was sehr beeindruckend aus technologischer Sicht. Aber es gibt eine nahezu unendliche Anzahl von Möglichkeiten, ordnen diese Stacks. Vor kurzem wurde ein schnelles und robustes Modell, mit dem PC kann zu kämmen große Anzahl verschiedener Größenordnungen auf der Suche nach der besten für eine bestimmte Aufgabe. Im realen Labor wäre dies nicht möglich gewesen.
An einer anderen Front, die übertragung der elektrischen Ladung in Solarzellen auch schwierig zu erforschen, mit bestehenden Methoden, was bedeutet, dass diese Modelle nicht besonders arbeiten in einem so wichtigen Feld wie grüne Technologien.
Was noch schlimmer ist, viel versprechende (aber gefährliche) перовскитные Solar-Zelle auf der Basis von Blei beinhalten die Kräfte der Van der Waals-Kräfte und gleichzeitig die übertragung verantwortlich. Forscher versuchen, dieses Problem zu lösen sein bestes, aber daraus ergeben sich auch die Probleme des Magnetismus und Leitfähigkeit.
Schlimmer einfach nicht
Das ultimative Ziel der Computersimulation — Experimente ersetzen fast vollständig. Dann können wir erstellen Experimente auf dem Computer genau so wie die Menschen schaffen die Objekte in Minecraft. Dieses Ziel ist fast geschafft, in den 1990er Jahren, wenn die Experimentatoren kamen zu einem графену und перовскитам, die zeigten Mängel in der bestehenden Theorien. Vielleicht 2020-er Jahren letzten Jahrzehnten wird, wenn Experimente durchgeführt werden, die ausschließlich auf Computern. Für ein solches Modell lohnt es sich zu arbeiten.
Labor 2.0: Computer bald ganz ersetzen experimentelle Wissenschaft
Ilja Hel