Revoluce v počítačovém modelování materiálů?

Pokrok lidstva je od nepaměti velmi úzce svázán s materiály, které používáme. Daly dokonce jméno celým epochám – od doby kamenné v pravěku až po dobu bronzovou a železnou ve starověku. Po celá staletí se středověcí kováři snažili vyvíjet nové a lepší železné výrobky, které by byly pevnější, tvrdší a pružnější. Až do nedávné doby však se tak dělo spíše metodou pokus–omyl. S rostoucím poznáním fyzikálních zákonitostí hmoty, vypracováváním teorií a s prudkým rozvojem výpočetní techniky se objevuje cesta, jak tento pokrok zásadně zlepšit.

Připomeňme si nejprve klasický postup při vývoji nových kovových slitin. Při alespoň trošku systematickém přístupu je třeba metalurgicky připravit desítky až stovky experimentálních vzorků s různými kombinacemi prvků a následně změřit jejich vlastnosti. Tento tradiční postup je nejen drahý a časově náročný, ale nalezení alespoň jediné slitiny vyhovující zadaným požadavkům není nijak zaručeno. Rozvoj teoretických přístupů a rostoucí výkon výpočetní techniky v posledních desetiletích nám nyní umožňují modelovat ony desítky různých složení materiálů v počítači. Hmotu si v něm skládáme jako stavebnici doslova atom po atomu. Díky tomu, že je možné spočítat i některé vlastnosti modelovaných materiálů, lze vybrat nejperspektivnější kombinace přísad a pak se pokoušet experimentálně připravit pouze tyto materiály. Celý vývoj nových materiálů je tak rychlejší a levnější.

Podívejme se nyní detailněji na dva zmíněné faktory, které rozvoj a využití tzv. výpočetní materiálové vědy umožnily. Prvním z nich je raketový nárůst výpočetních kapacit, se kterým má většina z nás velmi osobní zkušenost v případě mobilních telefonů, počítačů a internetu. V případě opravdu špičkového materiálového výzkumu však běžné stolní počítače nestačí a je třeba použít mohutné superpočítače, které jsou u nás k dispozici pro akademickou obec např. v centrech CERIT-SC v Brně nebo IT4Innovations v Ostravě. Jak ale dobře víme, samotný hardware není vše. Druhým klíčovým faktorem je systematický vývoj programů pro modelování materiálů. I ten má velmi zajímavou historii.