211service.com
Materialdatabasen bevisar sin förmåga med nya upptäckter
Att försöka hitta nya material, att förbättra prestandan för allt från mikrochips till bilkarosser, har alltid varit en process av försök och misstag. MIT materialforskare Gerbrand Ceder liknar det med att ge sig av från Boston till Kalifornien, varken med en karta eller ett navigationssystem - och till fots.
Men, säger han, efter århundraden av materialforskning på gammaldags sätt, är en betydande revolution på gång, tack vare en massiv datoriserad databas och simuleringssystem som kan sortera igenom tusentals potentiella material under den tid det tidigare kan ha tagit att studera bara en. Systemet kallas för Materialprojektet; medan den bara är cirka tre år gammal, har den redan producerat betydande nya rön.
Exempel på material som upptäckts genom ny teknik: Litiumhaltiga föreningar som kallas sidorenkiter identifierades som potentiella batterikatodmaterial genom beräkningsutforskning med hög genomströmning. Inga litiumhaltiga material med de kemiska grupperna CO3 och PO4 som finns i dessa föreningar finns i naturen - dessa material är helt syntetiska och oväntade. Beroende på den specifika metallen i dem antar de distinkta färger (visas här). Foto med tillstånd av forskarna.
Till exempel hittade forskare som använde Materials Projects onlineverktyg helt nya typer av transparent ledande material – en klass som är avgörande för enheter med pekskärmar, som smartphones – som inte finns i naturen och vars existens inte hade förutspåtts. Andra har använt systemet för att hitta nya material som kan användas i batterielektroder och halvledare.
Det finns totalt cirka 35 000 kända oorganiska föreningar, säger Ceder; Nästan alla är inkluderade i Materials Projects databas, Data inkluderar också tusentals okända föreningar som inte finns i naturen och som ännu inte har syntetiserats i laboratoriet - men vars grundläggande egenskaper kan förutsägas med hjälp av komplexa beräkningar baserade på kvantmekanisk teori. Visionen är att skapa ett kompendium av materialens egenskaper: elektrisk ledningsförmåga, kristallstruktur, hårdhet, stabilitet och så vidare.
Ceder och kollegor vid MIT och Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) har beskrivit detta nya tillvägagångssätt, som de kallar high-throughput computational material design, i nya artiklar i Scientific American och APL Materials. Deras arbete har inspirerat Vita huset att lansera en nationell satsning, nu kallad Materials Genome Initiative (det ursprungliga namnet på projektet ledd av MIT och LBNL), för att sprida det nya tillvägagångssättet till institutioner runt om i landet.
Vi vet väldigt lite om världen av kemiska föreningar runt omkring oss, säger Ceder, Richard P. Simmons professor i materialvetenskap och teknik. Om du väljer en slumpmässig förening bland de vi känner och frågar, 'Hur svårt är det? Är det en bra dirigent? Vilken färg har den? Är det styvt?’ — du skulle inte veta svaret. En grov uppskattning, säger han, är att vi känner till mindre än 1 procent av egenskaperna hos föreningarna omkring oss.
Och det är bara att räkna de grundläggande egenskaperna, säger Ceder: Kunskapen är ännu glesare när det kommer till ingenjörsbeteende - den mer detaljerade kunskapen, såsom hållbarhet under stress eller mottaglighet för korrosion, som behövs för att välja ett material för en specifik tillämpning. Planen att bygga en omfattande databas med materialegenskaper, säger han, lägger en grund, ungefär som Human Genome Project har etablerat grundläggande kunskap om den genetiska grunden för mänskliga egenskaper.
Många av dessa egenskaper kan nu beräknas, säger Ceder. Målet med materialprojektet, under de närmaste åren, är att bara beräkna dessa egenskaper för alla kända föreningar, och några okända. Med den informationen kan ingenjörer använda en dator för att screena tusentals material för en viss applikation, baserat på de specifika egenskaper som behövs.
Till exempel bad Procter & Gamble Ceder och hans kollegor att screena allt möjligt material för en ny elektrod för företagets Duracell-batterier. Teamet kunde screena 130 000 verkliga eller hypotetiska föreningar och skapade en lista på 200 som uppfyllde de önskade kriterierna och som hade potential att prestera bättre än de material som nu används. Ett annat företag använde systemet för att upptäcka en ny katalysator för att dela vatten till väte och syre; en tredjedel använde det för att hitta ett nytt material som skulle användas i datorminneschips.
Förhoppningen är att databasen inom fem till 10 år ska innehålla information om de grundläggande egenskaperna hos alla föreningar som kan finnas. Det kommer att ta några miljoner CPU-timmar under de närmaste åren, säger Ceder - vilket låter mycket, men det är faktiskt en relativt liten mängd jämfört med vissa beräkningsintensiva uppgifter som klimatmodellering eller simulering av explosioner, säger han.
Detta, säger han, skulle göra det möjligt för moderna materialforskare att utvecklas från något som liknar 1500-talets upptäcktsresande – som försöker lära sig om en kontinent utan kartor eller kompasser – till dagens resenärer med sina GPS-enheter.
Vi går inte vilse längre, säger Ceder. Men precis som med kartor berättar Materials Project inte vart du ska gå, det berättar bara hur du kommer dit: Det är fortfarande upp till dig att bestämma vilka egenskaper du behöver.
Geoffroy Hautier, en forskare vid katolska universitetet i Louvain i Belgien, säger: Det traditionella sättet att utveckla material är ofta mycket empiriskt och bygger mycket på serendipitet och intuition. Men med Materials Project, som Hautier och kollegor har använt för att upptäcka nya transparenta, ledande material, ger högkapacitetsdatorer en enorm acceleration till hela processen.
Jag är säker på att det kommer att finnas applikationer som vi aldrig tänkt på eftersom vi inte hade expertis som säger att den här specifika egenskapen var viktig för den här specifika applikationen, tillägger Hautier.
Redan nu har gratiswebbplatsen 5 000 prenumeranter, varav ungefär en tredjedel är inom industrin. I materialvetenskapens värld är det ett mycket stort antal, säger Ceder. Nettoresultatet är att det nu är möjligt att utveckla material för verkliga applikationer på så lite som två år, jämfört med 15 till 20 år med traditionella metoder. Vi tror att vi går in i en guldålder av materialdesign, säger han.