211service.com
Geavanceerde productie en nieuwe materialen
Nieuwe materialen zijn cruciale componenten van opkomende technologieën die grote groeigebieden voor de economie beloven, zoals goedkopere zonne-energie, batterijen van elektrische auto's die langer meegaan tussen oplaadbeurten, lichtgewicht draagbare elektronische apparaten en implanteerbare medische apparaten voor gepersonaliseerde geneeskunde. Maar de reis van nieuw materiaal naar product duurt meestal één tot twee decennia. Dat komt grotendeels omdat nieuwe materialen geavanceerde productietechnologieën vereisen die vele jaren in beslag kunnen nemen.
Grondstof: Dit materiaal, dat zou kunnen worden gebruikt in kathodes voor lithium-ionbatterijen, werd ontdekt door middel van computationele screening. De verschillende vormen vertegenwoordigen verschillende delen van de verbinding, een mengsel van lithium, mangaan, boor en zuurstof.
Het Witte Huis hoopt die tijd te halveren door 100 miljoen dollar te investeren in een Materialen Genoom Initiatief gericht op het aanmoedigen van een efficiënter gebruik van de computationele modelleringstools die onderzoekers gebruiken om de eigenschappen van nieuwe materialen te voorspellen. Het initiatief, dat deel uitmaakt van het Witte Huis's Geavanceerd productiepartnerschap , zal open toegang tot deze modellen en databases in de materiaalwetenschappelijke gemeenschap ondersteunen in de hoop academici eerder in het ontwikkelingsproces in contact te brengen met de industrie.
Zoals het er nu voor staat, houden wetenschappers die met nieuwe materialen werken niet vroeg genoeg rekening met productieproblemen, zegt Cyrus Wadia , adjunct-directeur voor schone energie en materialen R&D bij het Witte Huis Office of Science and Technology Policy. Als gevolg hiervan kan hun onderzoek hen in doodlopende wegen leiden. De manier om dat te veranderen, is volgens hem door de hele materiaalwetenschappelijke gemeenschap, van academici tot fabrikanten, aan te moedigen om gegevens en computerhulpmiddelen te delen - het materiaalgenoom. Wadia zegt dat hij wil dat onderzoekers zich afvragen: wie heeft het eerder gedaan, wat hebben ze geleerd en wat kan de markt verdragen?
Materiaalwetenschappers hebben de afgelopen 20 jaar met wisselend succes voorspellende modellen gebruikt, waarbij ze gegevens over eigenschappen zoals smeltpunt, geleidbaarheid of de manier waarop een verbinding met anderen reageert, gemanipuleerd hebben om te voorspellen of een materiaal geschikt is voor een bepaalde toepassing, zoals een batterij elektrode. De bijbehorende berekeningen zijn erg ingewikkeld. Maar zodra de code is geschreven om veelbelovende kandidaten voor een bepaalde toepassing te voorspellen, kan deze worden toegepast om het potentieel van elk materiaal te testen, zegt Gerbrand Ceder , een professor in materiaalkunde aan het MIT die gespecialiseerd is in computationele modellering van nieuwe batterij-elektrodematerialen. Helaas was er geen infrastructuur om onderzoekers te helpen bij het delen van hun gegevens en de code die werd gebruikt om het te kraken, en weinig van de modellen hebben rekening gehouden met fabricageproblemen.
Het probleem met schaalvergroting en productie is dat je niet alles begrijpt, zegt Ceder. Als we dingen precies zo zouden kunnen maken als we ze in het lab hebben gemaakt, zou er geen probleem zijn. Maar zo werkt het niet. Kleine verschillen in productieomstandigheden zijn onvermijdelijk bij het opschalen van het maken van grammen van een materiaal naar het per ton maken. En de materialen die tegenwoordig uit academische laboratoria komen, zijn moeilijker te maken dan de materialen van het verleden. Veel geavanceerde materialen krijgen hun buitengewone eigenschappen door structurele precisie op moleculaire of zelfs atomaire schaal, en het maken ervan is niet hetzelfde als het maken van bijvoorbeeld staal. Je maakt staal door metalen samen te smelten in een enorm vat, zegt Alexander King , directeur van het Ames National Laboratory in Iowa. Bij het vervaardigen van geavanceerde materialen, zegt King, moet je meer gecontroleerde methoden gebruiken, anders doen de atomen niet wat je wilt. Inconsistenties in temperatuurregeling, menging of andere factoren kunnen tot storingen leiden. En technieken die worden gebruikt om precisie op atomaire schaal in het laboratorium te bereiken, kunnen moeilijk te vertalen zijn naar grootschalige productie.
Het consistent maken van grote batches van een complex materiaal in een fabriek vereist bijna altijd andere processen dan die voor het maken van kleine batches in het laboratorium. Dat betekent meer geld, tijd en risico. Stel bijvoorbeeld dat een onderzoekslaboratorium werkende zonnecellen van 2,5 cm heeft gemaakt waarvan de actieve laag wordt gemaakt door een inkt van nanodeeltjes te printen. Om een dergelijke technologie te commercialiseren, moet een bedrijf verschillende productietechnieken ontwikkelen. Eerst moet het uitzoeken hoe de nanodeeltjes in grote batches kunnen worden gemaakt; dan moet het een apparatuurmaker vinden die een op maat gemaakte machine levert om die inkten over vierkante meters te printen, of die apparatuur zelf ontwikkelen. Maar misschien komt het niet eens in dat stadium. Wat als onderzoekers, wanneer ze grote aantallen van deze zonnecellen proberen te maken, de nanodeeltjes niet op een consistente manier kunnen ordenen en de cellen niet werken? In elk stadium kan een fatale fout worden ontdekt.
Het Materials Genome Initiative heeft tot doel dergelijke fabricageproblemen te voorspellen en wetenschappers en ingenieurs eerder in de ontwikkelingsfase van ze af te leiden. De problemen met de opschaling van labbank naar fabriek zijn niet bijzonder, zegt Ceder. De grootste uitdaging op dit moment is dat individuele groepen en bedrijven codefragmenten hebben ontwikkeld en gegevens hebben verzameld over nieuwe en bestaande materialen, maar ze hebben geen manier om deze informatie te delen. Ze dienen een patent in, krijgen een paper gepubliceerd en daar houdt het op. Het Materials Genome verzamelt al deze gegevens in een centrale database.
Academische cultuur is vatbaarder voor het delen van gegevens dan bedrijfscultuur, maar Wadia, die de afgelopen jaren met vertegenwoordigers van de grote materiaalbedrijven over dit initiatief heeft gesproken, denkt dat bedrijfslabs ook zullen bijdragen. Zonder hen zou het inderdaad moeilijk zijn om een dergelijk project te laten slagen. Het zal beginnen in de zakken van gemeenschappen, maar we moeten een kritische massa krijgen om dit te laten werken, zegt hij. Bedrijven die geavanceerde materialen maken, genereren al een grote hoeveelheid gegevens door dagelijkse monitoring van productieactiviteiten, en hij hoopt dat ze dit soort informatie zullen delen met het Materials Genome Initiative.
Volgens Christine Furstoss, technisch directeur fabricage- en materiaaltechnologieën bij industriële producttoepassingen, denken we dat een belangrijke rol voor de industrie kan spelen. GE wereldwijd onderzoek . We gebruiken een groot aantal materialen die in meerdere industrieën worden toegepast en hebben een grote interesse om de prestaties en maakbaarheid van dergelijke materialen te verbeteren.
De eerste $ 100 miljoen zal worden verdeeld over vier overheidsinstanties: het National Institute of Standards and Technology, het Department of Energy, de National Science Foundation en het Department of Defense. Vertegenwoordigers van het Witte Huis wilden geen commentaar geven op hoeveel geld naar elk agentschap zou gaan en voor welke specifieke projecten, maar de nadruk, zegt Wadia, ligt op het bouwen van computerinfrastructuur. Hoe die infrastructuur eruit moet zien, zal het komende jaar worden uitgekristalliseerd. Het geld gaat ook naar educatieve initiatieven.
Nieuwe materialen zijn belangrijke factoren voor productie, zegt Ceder. Als je de productie in de VS gaat verhogen, doe je dat niet met oude technologieën.