211service.com
Designa strukturer gjorda av nanomaterial
Att göra komplexa strukturer av nanopartiklar eller polymerer, vare sig det är för fotonisk beräkning eller solceller, innebär vanligtvis mycket dyra och tidskrävande försök och fel i labbet. Teoretiker hoppas kunna förenkla processen genom att utveckla datormodeller som kommer att generera recept som alltid kommer ut rätt, men hittills har de som de har gjort varit för komplexa för att realiseras i labbet. Nu, i hopp om att göra dessa algoritmer användbara för kemister, har datavetare på Microsoft förenklat en modell som skapar recept för självmonterande material.
Partikelpackning: Algoritmer designade av Microsofts forskare förutsäger vad krafterna mellan en grupp av partiklar måste vara för att de ska kunna självmontera till en viss struktur, till exempel en tätt packad kub.
De nya Microsoft-modellerna, som beskrivs denna vecka i Proceedings of the National Academy of Sciences , är avsedda att påskynda utformningen av nya självmonterade strukturer. Med hjälp av försök och fel har materialforskare använt nanopartiklar för att skapa strukturer på vad som kallas mesoskala. Dessa ordnade arrangemang av partiklar i nanoskala kan ha anmärkningsvärda optiska, elektriska och andra egenskaper men är svåra att skapa. Teori där saknas verkligen, säger Mila Boncheva, senior forskare vid Firmenich i Genève, som spelade en viktig roll i tidig forskning om denna typ av självmontering vid Harvard University. Vad folk för närvarande gör inom design är mestadels trial and error baserat på sunt förnuft. Den teoretiska modellen syftar till att hjälpa materialvetare att mycket snabbare ta reda på vilka de rätta materialen och förutsättningarna är för självmontering av en given struktur.
Om du har i åtanke en form eller form, kommer modellen att berätta hur du får den, säger Henry Cohn , huvudforskare vid Microsoft Research New England , som ledde arbetet med MIT biträdande professor i matematik Abhinav Kumar . Egenskaperna hos material strukturerade på mesoskalan bestäms till stor del av hur de enskilda komponenterna, vare sig det är polymerer eller nanopartiklar, är ordnade i förhållande till varandra. Till exempel reflekterar nanopartiklar av silver som flyter i lösning ljus olika beroende på hur tätt de är packade – en princip som används för att designa enheter för fotonisk beräkning.
Huruvida partiklar kommer att samlas till en given struktur eller inte bestäms av krafterna mellan dem. Elektriska laddningar, till exempel, spelar en särskilt viktig roll för att avgöra om två partiklar kommer att attrahera eller stöta bort varandra. Microsoft-modellen genererar en karta över hur starka dessa krafter måste vara. Det vill säga, givet en önskad struktur, vad ska den potentiella energin mellan var och en av partiklarna och dess grannar vara? Dessa modeller kallas potentiella funktioner.
Det är lätt att designa potentiella funktioner [på en dator], och verkligen, riktigt svårt att generera dem i verkligheten, säger George Whitesides , professor i kemi vid Harvard University och pionjär inom självmontering. Att generera dessa krafter kräver att man tar reda på vilka modifieringar av partiklarna - säg att lägga till mer positivt laddade grupper till polymerer - som kommer att generera lämpliga krafter mellan enskilda partiklar och leda till sammansättningen av den önskade strukturen.
Cohn säger att syftet med hans arbete är att överbrygga denna klyfta mellan teori och verklighet. Tidigare versioner av dessa algoritmer har genererat mycket komplexa instruktioner för att sätta ihop dessa strukturer, som stipulerar att ett mycket stort antal parametrar måste uppfyllas för att få en struktur att montera. Om du får göra utarbetade potentiella funktioner kan du göra utarbetade saker och göra underbara material inuti datorn, säger han. Nu är frågan för teoretiker, säger Cohn, Kan vi uppnå mer med enklare interaktioner?
Microsofts och MIT-forskarna har tagit ett viktigt steg mot denna förenkling, säger Salvatore Torquato , professor i kemi vid Princeton Institute for Science and Technology of Materials. Deras modeller kräver ett mycket mindre antal av dessa potentiella energiförhållanden än tidigare. Det tar det från väldigt hypotetiskt till något mer realistiskt att producera i laboratoriet, säger Torquato. Det sofistikerade i Microsoft-modellen kommer delvis från att introducera idéer från informationsteori.
Nästa steg är att arbeta med kemister för att skapa en av dessa förutspådda strukturer i labbet. Jag tror att framtidens materialvetenskap kommer att göras på detta sätt, säger Torquato om datormodellering. Whitesides tror att teoretiker fortfarande är långt ifrån att inse den framtiden eftersom det fortfarande är oklart om de typer av funktioner som utvecklas av Cohn överhuvudtaget kan användas för att göra självmonterande strukturer, eller om någon annan teoretisk metod kommer att visa sig vara mer användbar. . Men arbete med dessa typer av algoritmer, säger Whitesides, är värt att fortsätta, eftersom den resulterande ropmatchen kommer att hjälpa till att definiera vad som behöver göras för att göra dem användbara.