Что будет, если в материале заменить одни атомы на другие? Добавить микроскопические стеклянные шарики? Заменить в полимере гибкие молекулы на жесткие? Поднять температуру обработки? Ответы на эти вопросы знают специалисты по цифровому материаловедению.
Как зарождалось новое направление
Основы цифрового материаловедения были заложены еще в прошлом веке. Новое направление зародилось на фундаменте из двух научных событий: начале развития квантовой химии и появлении нового метода решения инженерных задач.
Квантовая химия — направление, изучающее строение и свойства химических соединений на основе квантовой механики. Они начала развиваться в 1920-х годах и позволила прогнозировать свойства материалов. Но для расчета характеристик материалов в готовой детали требовалось решать инженерные задачи, которые были слишком сложны для математических методов тех лет. Подходящий метод расчета появился во второй половине века.
В 1963 году специалист по численному анализу Леонид Оганесян опубликовал статью, где описал современный вариант метода конечных элементов — способа, при котором инженерная задача разбивалась на элементы и сложные уравнения решались через систему простых.
К сожалению, несмотря на подходящий способ, с расчетами на квантовом уровне компьютеры еще не могли справиться. Прошла еще пара десятков лет, прежде чем техника «догнала» науку. Полноценное развитие цифрового материаловедения началось с появлением суперкомпьютеров, в начале XXI века.
Сегодня с помощью цифровых моделей материаловеды проектируют материалы с новыми характеристиками, моделируя свойства на всех этапах: при синтезе, в готовой продукции, во время эксплуатации, под воздействием внешней среды и даже при переработке.
Направление продолжает развиваться: к цифровому моделированию теперь подключают ИИ-инструменты. Модели, обученные методами машинного обучение, находят скрытые закономерности в поведении материалов и выявляют неопределенности в расчетах, подсказывая более вероятные прогнозы итоговых свойств.
Преимущества цифрового материаловедения
Спроектированные материалы уже используются в атомной энергетике, судостроении и медицине. С каждым годом подходы и методы цифрового материаловедения совершенствуются:
- Снижаются затраты на эксперименты и испытания
- Уменьшаются сроки разработки
- Снижается риск ошибок
- Прогнозируются свойства материалов со все более сложной структурой
- Быстрее рассчитываются оптимальные условия для синтеза материала
Новые материалы
С помощью цифрового подхода созданы высокопрочные и термостойкие суперконструкционные термопласты, нанотрубки и нановолокна, новые полимеры и двумерные кристаллы.
В 2025 году ученые из Химико-технологического кластера Научного дивизиона «Росатома» разработали особое углеволокно, не подверженное температурным колебаниям. Это материал высокого класса с низким удельным весом, высокой теплопроводностью и близким к нулю коэффициентом термического расширения. То есть новый материал не меняет свою форму ни в жару, ни в холод. Из такого материала можно делать оборудование для космоса.
Технологии цифрового материаловедения активно используются при разработке материалов для атомной энергетики нового поколения.
«Наша задача — увеличить скорость процесса обновления [материалов]. Для этого требуется реализация комплексного подхода с применением цифровых технологий: от изучения атомной структуры и микроструктуры до характеристик готового изделия в части физического масштаба, а также от стадии синтеза образца материала или заготовки до эксплуатации и утилизации изделия. Эта мультимасштабность обуславливает широкий набор инструментов цифрового материаловедения: от квантовой химии и термодинамики до искусственного интеллекта и, в перспективе, квантовых вычислений», — объяснил научный руководитель приоритетного направления научно-технологического развития госкорпорации «Росатом» «Новые материалы и технологии» (НМиТ), первый заместитель директора частного учреждения «Наука и инновации» Алексей Дуб.
Какими будут материалы будущего?
По прогнозам экспертов из области цифрового материаловедения, в ближайшие годы могут появиться материалы, которые изменят нашу жизнь. Например, материалы с улучшенными противоречивыми свойствами вроде высокоэнтропийных сплавов. Также, вероятно, будут спроектированы самовосстанавливающиеся материалы, которым найдется применение в критических условиях, в частности, в атомной энергетике.
Огромное влияние на дальнейшее развитие технологий окажут новые полупроводники и сверхпроводники. Как объясняют эксперты, уже разработаны перспективные наноматериалы для этих целей, но на практике с ними возникают проблемы. Цифровое материаловедение сможет решить эту задачу и тогда информационные технологии выйдут на новый уровень.
Читайте подробнее о разработке российских ученых в нашем материале Уникальное углеволокно для космоса.
Читайте подробнее о цифровом материаловедении в России в материале «Нового атомного эксперта».