Baza danych materiałów udowadnia swoją siłę dzięki nowym odkryciom

Próba znalezienia nowych materiałów, aby poprawić wydajność wszystkiego, od mikroczipa po karoserię, zawsze była procesem prób i błędów. Naukowiec zajmujący się materiałami z MIT, Gerbrand Ceder, porównuje to do wyruszenia z Bostonu do Kalifornii, bez mapy ani systemu nawigacji — i pieszo.

Ale, jak mówi, po wiekach prowadzenia badań materiałowych w staromodny sposób, następuje znacząca rewolucja, dzięki ogromnej skomputeryzowanej bazie danych i systemowi symulacji, który może sortować tysiące potencjalnych materiałów w czasie, który wcześniej mógł zająć studiowanie tylko jeden. System nazywa się Projektem Materiałowym; choć ma zaledwie około trzech lat, już przyniósł znaczące nowe odkrycia.

Przykłady materiałów odkrytych dzięki nowej technice: Związki zawierające lit, zwane sidorenkitami, zidentyfikowano jako potencjalne materiały katodowe baterii w wyniku wysokowydajnych badań obliczeniowych. W naturze nie istnieją żadne materiały zawierające lit z grupami chemicznymi CO3 i PO4 występującymi w tych związkach — materiały te są w pełni syntetyczne i nieoczekiwane. W zależności od konkretnego metalu w nich zawartego, przybierają wyraziste kolory (pokazane tutaj). Zdjęcie dzięki uprzejmości badaczy.

Na przykład badacze korzystający z narzędzi internetowych Materials Project odkryli zupełnie nowe rodzaje przezroczystych materiałów przewodzących — klasę kluczową dla urządzeń z ekranami dotykowymi, takich jak smartfony — które nie istnieją w naturze i których istnienia nie przewidywano. Inni wykorzystali ten system do znalezienia nowych materiałów, które mogłyby znaleźć zastosowanie w elektrodach akumulatorowych i półprzewodnikach.

Jak mówi Ceder, istnieje łącznie około 35 000 znanych związków nieorganicznych; prawie wszystkie są zawarte w bazie danych Materials Project. Dane obejmują również tysiące nieznanych związków, które nie istnieją w naturze i nie zostały jeszcze zsyntetyzowane w laboratorium – ale których podstawowe cechy można przewidzieć za pomocą złożonych obliczeń opartych na teorii mechaniki kwantowej. Wizją jest stworzenie kompendium cech materiałów: przewodności elektrycznej, struktury krystalicznej, twardości, stabilności i tak dalej.

Ceder i współpracownicy z MIT i Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) opisali to nowe podejście, które nazwali projektowaniem materiałów obliczeniowych o wysokiej przepustowości, w ostatnich artykułach w Scientific American i APL Materials. Ich praca zainspirowała Biały Dom do podjęcia ogólnokrajowego wysiłku, obecnie zwanego Materials Genome Initiative (pierwsza nazwa projektu prowadzonego przez MIT i LBNL), w celu szerzenia nowego podejścia do instytucji w całym kraju.

Niewiele wiemy o otaczającym nas świecie związków chemicznych, mówi Ceder, profesor nauk o materiałach i inżynierii Richarda P. Simmonsa. Jeśli wybierzesz losowy związek spośród tych, które znamy i zapytasz: „Jakie to trudne? Czy to dobry dyrygent? Jaki ma kolor? Czy jest sztywny?’ — nie znałbyś odpowiedzi. Według niego, z grubsza oszacowano, że znamy mniej niż 1 procent właściwości otaczających nas związków.

A to tylko liczenie podstawowych właściwości, mówi Ceder: Wiedza jest jeszcze mniejsza, jeśli chodzi o zachowanie inżynierskie — bardziej szczegółowa wiedza, taka jak wytrzymałość na naprężenia lub podatność na korozję, potrzebna do wyboru materiału do konkretnego zastosowania. Plan zbudowania kompleksowej bazy danych właściwości materiałów, jak mówi, kładzie podwaliny, podobnie jak Human Genome Project ustalił podstawową wiedzę na temat genetycznych podstaw cech ludzkich.

Wiele z tych właściwości można teraz obliczyć, mówi Ceder. Celem projektu Materials Project w ciągu najbliższych kilku lat jest po prostu obliczenie tych właściwości dla wszystkich znanych związków i niektórych nieznanych. Dzięki tym informacjom inżynierowie mogliby użyć komputera do przesiewania tysięcy materiałów do konkretnego zastosowania, w oparciu o określone właściwości, które są potrzebne.

Na przykład firma Procter & Gamble poprosiła Ceder i jego współpracowników o zbadanie wszystkich możliwych materiałów pod kątem nowej elektrody do baterii Duracell firmy. Zespół był w stanie przebadać 130 000 rzeczywistych lub hipotetycznych związków, tworząc listę 200, które spełniały pożądane kryteria i które miały potencjał, aby działać lepiej niż obecnie używane materiały. Inna firma wykorzystała ten system do odkrycia nowego katalizatora do rozdzielania wody na wodór i tlen; trzeci wykorzystał go do znalezienia nowego materiału do wykorzystania w układach pamięci komputera.

Mamy nadzieję, że w ciągu 5-10 lat baza danych będzie zawierała informacje o podstawowych właściwościach wszystkich istniejących związków. To zajmie kilka milionów godzin pracy procesora w ciągu najbliższych kilku lat, mówi Ceder – co brzmi jak dużo, ale w rzeczywistości jest to stosunkowo niewielka ilość w porównaniu z niektórymi intensywnymi obliczeniowo zadaniami, takimi jak modelowanie klimatu lub symulowanie eksplozji, mówi.

Mówi, że pozwoliłoby to współczesnym materiałoznawcom przejść od czegoś podobnego do XVI-wiecznych odkrywców – próbujących poznać kontynent bez map i kompasów – do dzisiejszych podróżników z ich urządzeniami GPS.

Już się nie gubimy, mówi Ceder. Ale tak jak w przypadku map, Materials Project nie mówi ci, dokąd się udać, tylko pokazuje, jak się tam dostać: nadal od ciebie zależy, jakich właściwości potrzebujesz.

Geoffroy Hautier, naukowiec z Katolickiego Uniwersytetu w Louvain w Belgii, mówi: Tradycyjny sposób opracowywania materiałów jest często bardzo empiryczny i opiera się w dużej mierze na zbiegu okoliczności i intuicji. Jednak dzięki projektowi Materials, który Hautier i jego współpracownicy wykorzystali do odkrycia nowych, przezroczystych, przewodzących materiałów, obliczenia o wysokiej przepustowości zapewniają ogromne przyspieszenie całego procesu.

Jestem pewien, że pojawią się aplikacje, o których nigdy nie pomyśleliśmy, ponieważ nie mieliśmy doświadczenia, które mówiłoby, że ta konkretna właściwość była ważna dla tego konkretnego zastosowania, dodaje Hautier.

Już teraz bezpłatna strona internetowa ma 5000 subskrybentów, z których około jedna trzecia to branża. W świecie materiałoznawstwa to bardzo duża liczba, mówi Ceder. W rezultacie możliwe jest opracowanie materiałów do rzeczywistych zastosowań w ciągu zaledwie dwóch lat, w porównaniu do 15-20 lat przy użyciu tradycyjnych metod. Wierzymy, że wkraczamy w złotą erę projektowania materiałów – mówi.

ukryć