Суперкомпьютер – ключ к новым материалам.

Известный физик - профессор Линчёпингского университета (Linköping University, Швеция), научный руководитель лаборатории «Моделирование и разработка новых материалов» НИТУ «МИСиС» (Москва, Россия) Игорь Абрикосов рассказал нам о том, как «очень умные» машины» помогают ученым создавать материалы, которых ранее не существовало.

Сейчас уже невозможно представить жизнь обычного человека без компьютера: компьютеры дома, компьютеры в офисах, компьютеры на производстве; компьютеры на службе ученых... Какие перспективы супермощные компьютеры открывают в области создания новых материалов?

Современный суперкомпьютер открывает качественно новые возможности как получения информации о материалах, так и разработки новых материалов. Благодаря тому, что увеличилась мощность суперкомпьютеров, мы можем уменьшить количество приближений в расчетах и, таким образом, существенно увеличить точность предсказаний.

Раньше, чтобы разработать новый материал, экспериментатор шел в лабораторию, смешивал различные элементы и смотрел, что получится. Как говорят англичане, нужно было «cook and look» (сварить и посмотреть). Такой способ поиска новых материалов требует очень много времени и денег: ведь, существует огромное множество комбинаций, которые ученым нужно перепробовать перед тем, как они найдут оптимальное сочетание.

Следовательно, производительность была низкой. И только, когда у экспериментатора что-то не получалось, он шел к теоретикам, пытаясь выяснить причину. Или, наоборот, приходил и спрашивал: «Знаешь, у меня так хорошо получилось, интересно, почему?».

С развитием суперкомпьютерных технологий мы можем повернуть этот процесс в обратном направлении: экспериментатор, прежде чем пойти в лабораторию, будет приходить к теоретикам и спрашивать: «какие элементы мне нужно смешать, чтобы получить материал с необходимыми мне свойствами?».

Здесь как раз ученым и придет на помощь суперкомпьютер, который может проводить эксперименты виртуально. Теперь ученые могут моделировать эксперименты на суперкомпьютере, заложив в него все возможные элементы и их комбинации. Так, для достижения своей цели вместо реальных экспериментов они могут провести сотни виртуальных, сократив необходимое число реальных физических экспериментов до единиц.

Можете привести примеры успешной реализации такого алгоритма?

Например, благодаря виртуальным расчётам суперкомпьютера профессор Йохана Розен (Johanna Rosen) из Линчёпингского университета смогла не просто создать новый материал, а открыть целое научное направление - магнитные MAX-фазы.

Йохана Розен работала с качественно новыми материалами, так называемыми MAX-фазами. Эти очень перспективные материалы сочетают свойства металла и керамики. Однако на тот момент не существовало ни одного материала из этого семейства, который обладал бы магнитными свойствами. Йохана захотела создать магнитную MAX-фазу. Есть основания полагать, что такие материалы будут очень важны для нового направления спинтроники, где используются не только электрические, но и магнитные свойства материалов. Прежде чем приступить к экспериментам, Йохана пришла к нам и спросила какие элементы ей нужно смешать, чтобы получилась стабильная магнитная MAX-фаза.

Если бы мы выясняли это экспериментально, то потратили бы, возможно, десятки лет и точно кучу денег. На суперкомпьютере расчеты заняли несколько месяцев.

Сейчас мы имеем совместный патент на совершенно новые материалы, а к магнитным MAX-фазами проявляют большой интерес во всем научном мире.

Технологии стремительно развиваются, обычная компьютерная техника очень быстро наращивает свою мощность. Можно ли утверждать, что такой же стремительный рост мощностей характерен для суперкомпьютеров?

Закон Мура говорит об экспоненциальном росте компьютерных мощностей. До последнего времени эта зависимость выполнялась. Сейчас задача делать все более мощные суперкомпьютеры осталась, однако появилась другая важная задача – создавать более энергоэффективные компьютеры. Современный суперкомпьютер потребляет очень много электроэнергии – это фантастические цифры.

Приведу вам один пример. В Финляндии была бумажная фабрика. Работа фабрики – это очень энергозатратный процесс. В какой-то момент фабрика стала не эффективной. На ее месте предложили построить мощный суперкомпьютер, потому что его энергетические потребности были равны потребностям целой фабрики по производству бумаги.

Так что я думаю, что мощности суперкомпьютеров будут увеличиваться, однако с увеличением мощностей будут возникать определенные сложности. Возможно, мощность не будет ведущим критерием эффективности суперкомпьютера.

Сейчас ученые во всем мире ищут новые материалы с заданными свойствами. Над разработкой каких материалов бьются ведущие ученые-материаловеды?

Любые потребности человечества, в конце концов, упираются в необходимость создания нового материала. Нам нужны новые материалы для энергетики, в том числе солнечной, материалы, которые помогут сохранять уже выработанную энергию, материалы для топливных ячеек, материалы, которые позволят использовать термоэлектрический эффект. Нам нужны так называемые магнито-калорийные материалы, которые позволят создать более эффективные холодильники. В принципе, этот список можно продолжать бесконечно. Сегодня практически в каждом номере Nature или Science вы найдете по крайней мере одну статью о создании нового материала.

Каких материалов, на ваш взгляд, не хватает человечеству? Почему они так важны для нас и как улучшат нашу жизнь?

Сейчас перед человечеством стоит большое количество глобальных вызовов. В том числе вызовы, касающиеся качества жизни. Человеческая жизнь становится длиннее, пожилым людям для полноценной жизни нужны хорошие протезы. Материалы для протезов – это пример того, с чем мы работаем. Если человек сломал ногу, ему вставляют имплант. Проблема в том, что импланты, которые сейчас используются, существенно прочнее кости. Когда человек ходит, нагрузку принимает на себя имплант, что приводит к деградации кости. Создать биосовместимый имплант, который будет обладать такими же упругими свойствами как и наши кости - вот одна из важных задач. Разработка материалов для зеленых технологий - еще одна из центральных тем в современном материаловедении. Я знаком со многими ведущими материаловедами, участвующими в разработке «зеленых» материалов. Например, Профессор Калифорнийского университета в Беркли Герд Седер участвовал в разработке новых литиевых батарей. Такие батареи сейчас используются в электромобиле Tesla. Кроме того, группа ученых под моим руководством получила патент на новый электролит для топливных ячеек с повышенной производительностью.

Разработкой каких материалов вы занимаетесь сейчас?

В последние полгода меня очень интересует описание материалов в экстремальных условиях. Это важно, например, для понимания устройства земного ядра. Мы до сих пор не знаем структуру и не можем описать свойства центра нашей планеты. Это фундаментальная задача. Но теоретические методы, которые мы разрабатываем, мы также используем для решения практических задач. Мы работаем с компаниями Seco Tools и Sandvik, выпускающими режущие инструменты. Представьте себе резак режущего станка. Кончик резака испытывает фантастическое давление - около 50 тысяч атмосфер и работает при температурах около1000 градусов. Научиться описывать материалы, работающие в таких экстремальных условиях, значит помочь разработке таких материалов.

Второе направление – это работа над проектом «Информатика материала». Это международный проект, я в нем принимаю активное участие. У материаловедов до сих пор нет такой системы, которая позволила бы задать вопрос «я хочу материал, который сочетает в себе такую-то сжимаемость, такую-то электропроводность...» и немедленно получить ответ о составе такого вещества и его структуре.

У материаловедов есть обычный Google, но он под подобные задачи не заточен, а в проиндексированных им источниках не хватает данных, поэтому мы хотим создать специализированный поисковик и наполнить его информацией.

Используя суперкомпьютер, мы будем получать информацию, накапливать и систематизировать ее. Решение этой задачи позволит двинуть вперед индустрию.