Materiālu datu bāze pierāda savu spēku ar jauniem atklājumiem

Mēģinājumi atrast jaunus materiālus, lai uzlabotu visu, sākot no mikroshēmām un beidzot ar automašīnu virsbūvēm, vienmēr ir bijis izmēģinājumu un kļūdu process. MIT materiālu zinātnieks Gerbrands Seders to salīdzina ar došanos no Bostonas uz Kaliforniju bez ne kartes, ne navigācijas sistēmas — un kājām.

Taču viņš saka, ka pēc gadsimtiem ilgas materiālu izpētes vecmodīgā veidā notiek ievērojama revolūcija, pateicoties milzīgai datorizētai datu bāzei un simulācijas sistēmai, kas var šķirot tūkstošiem potenciālo materiālu laikā, kas iepriekš varētu būt vajadzīgs, lai izpētītu. tikai vienu. Sistēmu sauc par materiālu projektu; kamēr tas ir tikai aptuveni trīs gadus vecs, tas jau ir radījis nozīmīgus jaunus atklājumus.

Materiālu piemēri, kas atklāti, izmantojot jaunu tehniku: Litiju saturoši savienojumi, ko sauc par sidorenkītiem, tika identificēti kā potenciālie akumulatora katoda materiāli, izmantojot augstas caurlaidības skaitļošanas izpēti. Dabā nav litiju saturošu materiālu ar CO3 un PO4 ķīmiskajām grupām, kas atrodamas šajos savienojumos — šie materiāli ir pilnībā sintētiski un negaidīti. Atkarībā no konkrētā metāla tajos tie iegūst atšķirīgas krāsas (parādīts šeit). Foto ar pētnieku pieklājību.

Piemēram, pētnieki, kas izmantoja Materiālu projekta tiešsaistes rīkus, atrada pilnīgi jaunus caurspīdīgu vadošu materiālu veidus — šī klase ir ļoti svarīga ierīcēm ar skārienekrāniem, piemēram, viedtālruņiem —, kas dabā nepastāv un kuru eksistence netika prognozēta. Citi ir izmantojuši sistēmu, lai atrastu jaunus materiālus, kurus varētu izmantot akumulatoru elektrodos un pusvadītājos.

Kopumā ir zināmi aptuveni 35 000 neorganisko savienojumu, saka Ceders; gandrīz visi ir iekļauti Materiālu projekta datu bāzē. Dati ietver arī tūkstošiem nezināmu savienojumu, kas dabā neeksistē un vēl nav sintezēti laboratorijā, bet kuru pamatīpašības var paredzēt, izmantojot sarežģītus aprēķinus, kuru pamatā ir kvantu mehāniskā teorija. Vīzija ir izveidot materiālu raksturlielumu apkopojumu: elektrovadītspēja, kristāla struktūra, cietība, stabilitāte utt.

Ceder un kolēģi no MIT un Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) ir aprakstījuši šo jauno pieeju, ko viņi sauc par augstas caurlaidības skaitļošanas materiālu dizainu, jaunākajos rakstos Scientific American un APL Materials. Viņu darbs ir iedvesmojis Balto namu uzsākt nacionālus centienus, ko tagad sauc par Materiālu genoma iniciatīvu (sākotnējais MIT un LBNL vadītā projekta nosaukums), lai izplatītu jauno pieeju iestādēm visā valstī.

Mēs ļoti maz zinām par apkārtējo ķīmisko savienojumu pasauli, saka Seders, Ričarda P. Simmonsa materiālu zinātnes un inženierzinātņu profesors. Ja izvēlaties nejaušu savienojumu no mums zināmajiem un jautājat: “Cik tas ir grūti? Vai tas ir labs diriģents? Kāda krāsa tai ir? Vai tas ir stīvs?’ — jūs nezinātu atbildi. Viņš saka, ka aptuvens aprēķins ir tāds, ka mēs zinām mazāk nekā 1 procentu no apkārtējo savienojumu īpašībām.

Un tas ir tikai pamata īpašību skaitīšana, Ceder saka: Zināšanas ir vēl mazākas, ja runa ir par inženiertehnisko uzvedību — jo sīkākas zināšanas, piemēram, izturība spriedzes apstākļos vai uzņēmība pret koroziju, ir nepieciešamas, lai izvēlētos materiālu konkrētam lietojumam. Viņš saka, ka plāns izveidot visaptverošu materiālu īpašību datubāzi ir pamats, tāpat kā Cilvēka genoma projekts ir izveidojis bāzes zināšanas par cilvēka īpašību ģenētisko pamatu.

Daudzas no šīm īpašībām tagad var aprēķināt, saka Seders. Materiālu projekta mērķis dažu nākamo gadu laikā ir tikai aprēķināt šīs īpašības visiem zināmajiem savienojumiem un dažiem nezināmiem. Izmantojot šo informāciju, inženieri varētu izmantot datoru, lai pārbaudītu tūkstošiem materiālu konkrētam lietojumam, pamatojoties uz nepieciešamajām īpašajām īpašībām.

Piemēram, Procter & Gamble lūdza Sederam un viņa kolēģiem pārbaudīt visus iespējamos materiālus jauna elektroda izveidei uzņēmuma Duracell akumulatoriem. Komanda spēja pārbaudīt 130 000 reālu vai hipotētisku savienojumu, izveidojot sarakstu ar 200, kas atbilda vēlamajiem kritērijiem un kuriem bija labāka veiktspēja nekā tagad izmantotie materiāli. Cits uzņēmums izmantoja sistēmu, lai atklātu jaunu katalizatoru ūdens sadalīšanai ūdeņradī un skābeklī; trešdaļa to izmantoja, lai atrastu jaunu materiālu, ko izmantot datoru atmiņas mikroshēmās.

Cerams, ka piecu līdz desmit gadu laikā datu bāzē būs informācija par visu iespējamo savienojumu pamatīpašībām. Viņš saka, ka dažu nākamo gadu laikā tas prasīs dažus miljonus CPU stundu, viņš saka, ka tas izklausās daudz, bet patiesībā ir salīdzinoši mazs apjoms, salīdzinot ar dažiem skaitļošanas intensīviem uzdevumiem, piemēram, klimata modelēšanu vai sprādzienu simulēšanu.

Viņš saka, ka tas ļautu mūsdienu materiālu zinātniekiem pāriet no kaut kā līdzīga 16. gadsimta pētniekiem — mēģinot uzzināt par kontinentu bez kartēm vai kompasiem — līdz mūsdienu ceļotājiem ar savām GPS ierīcēm.

Mēs vairs nezaudējamies, saka Seders. Taču, tāpat kā ar kartēm, Materiālu projekts nenorāda, kurp doties, tas tikai norāda, kā tur nokļūt: jums joprojām ir jāizlemj, kādi īpašumi jums ir nepieciešami.

Geoffroy Hatier, pētnieks no Luvēnas Katoļu universitātes Beļģijā, saka: Tradicionālais materiālu izstrādes veids bieži ir ļoti empīrisks un lielā mērā paļaujas uz mierīgumu un intuīciju. Taču ar materiālu projektu, ko Hatiers un kolēģi ir izmantojuši, lai atklātu jaunus caurspīdīgus, vadošus materiālus, augstas caurlaidspējas skaitļošana nodrošina milzīgu paātrinājumu visam procesam.

Esmu pārliecināts, ka būs lietojumprogrammas, par kurām mēs nekad neesam domājuši, jo mums nebija zināšanu, kas teiktu, ka šis konkrētais īpašums ir svarīgs šim konkrētajam lietojumam, piebilst Hatier.

Jau tagad bezmaksas vietnei ir 5000 abonentu, no kuriem aptuveni trešā daļa ir nozarē. Materiālzinātnes pasaulē tas ir ļoti liels skaits, saka Seders. Rezultāts ir tāds, ka tagad ir iespējams izstrādāt materiālus reāliem lietojumiem tikai divu gadu laikā, salīdzinot ar 15 līdz 20 gadiem, izmantojot tradicionālās metodes. Mēs uzskatām, ka mēs ieejam materiālu dizaina zelta laikmetā, viņš saka.

paslēpties