211service.com
Materialendatabase bewijst zijn moed met nieuwe ontdekkingen
Het zoeken naar nieuwe materialen en het verbeteren van de prestaties van alles, van microchips tot carrosserieën, is altijd een proces van vallen en opstaan geweest. MIT-materiaalwetenschapper Gerbrand Ceder vergelijkt het met het vertrekken van Boston naar Californië, zonder kaart of navigatiesysteem - en te voet.
Maar, zegt hij, na eeuwen van ouderwets materiaalonderzoek te hebben gedaan, is er een belangrijke revolutie gaande, dankzij een enorme geautomatiseerde database en simulatiesysteem dat duizenden potentiële materialen kan sorteren in de tijd die het voorheen zou hebben gekost om te bestuderen eentje maar. Het systeem heet het Materials Project; terwijl het slechts ongeveer drie jaar oud is, heeft het al belangrijke nieuwe bevindingen opgeleverd.
Voorbeelden van materialen die zijn ontdekt met een nieuwe techniek: lithiumbevattende verbindingen, sidorenkieten genaamd, werden geïdentificeerd als potentiële batterijkathodematerialen door computationele verkenning met hoge doorvoer. Er bestaan in de natuur geen lithiumbevattende materialen met de chemische groepen CO3 en PO4 die in deze verbindingen worden aangetroffen - deze materialen zijn volledig synthetisch en onverwacht. Afhankelijk van het specifieke metaal dat erin zit, nemen ze verschillende kleuren aan (hier weergegeven). Foto met dank aan de onderzoekers.
Onderzoekers die de online tools van het Materials Project gebruikten, vonden bijvoorbeeld geheel nieuwe soorten transparante geleidende materialen - een klasse die cruciaal is voor apparaten met aanraakschermen, zoals smartphones - die in de natuur niet bestaan en waarvan het bestaan niet was voorspeld. Anderen hebben het systeem gebruikt om nieuwe materialen te vinden die kunnen worden gebruikt in batterij-elektroden en halfgeleiders.
Er zijn in totaal ongeveer 35.000 bekende anorganische verbindingen, zegt Ceder; bijna alle zijn opgenomen in de database van het Materials Project. De gegevens bevatten ook duizenden onbekende verbindingen die niet in de natuur voorkomen en nog niet in het laboratorium zijn gesynthetiseerd - maar waarvan de basiskenmerken kunnen worden voorspeld met behulp van complexe berekeningen op basis van de kwantummechanische theorie. De visie is om een compendium te creëren van de eigenschappen van materialen: elektrische geleidbaarheid, kristalstructuur, hardheid, stabiliteit, enzovoort.
Ceder en collega's van het MIT en het Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) hebben deze nieuwe benadering beschreven, die zij high-throughput computationeel materiaalontwerp noemen, in recente artikelen in Scientific American en APL Materials. Hun werk heeft het Witte Huis geïnspireerd om een nationale inspanning te lanceren, nu het Materials Genome Initiative genoemd (de oorspronkelijke naam van het project onder leiding van MIT en LBNL), om de nieuwe benadering naar instellingen in het hele land te verspreiden.
We weten heel weinig over de wereld van chemische verbindingen om ons heen, zegt Ceder, de Richard P. Simmons hoogleraar Materials Science and Engineering. Als je een willekeurige verbinding kiest uit degene die we kennen en vraagt: 'Hoe moeilijk is het? Is het een goede dirigent? Welke kleur heeft het? Is het stijf? ' - je zou het antwoord niet weten. Een ruwe schatting, zegt hij, is dat we minder dan 1 procent van de eigenschappen van de verbindingen om ons heen kennen.
En dat is alleen het tellen van de basiseigenschappen, zegt Ceder: de kennis is nog schaarser als het gaat om technisch gedrag - de meer gedetailleerde kennis, zoals duurzaamheid onder stress of gevoeligheid voor corrosie, die nodig is om een materiaal voor een specifieke toepassing te kiezen. Het plan om een uitgebreide database van materiaaleigenschappen te bouwen, legt hij een basis, net zoals het Human Genome Project basiskennis heeft opgebouwd over de genetische basis van menselijke kenmerken.
Veel van deze eigenschappen kunnen nu worden berekend, zegt Ceder. Het doel van het Materials Project is om de komende jaren deze eigenschappen te berekenen voor alle bekende verbindingen, en enkele onbekende. Met die informatie zouden ingenieurs een computer kunnen gebruiken om duizenden materialen voor een bepaalde toepassing te screenen op basis van de specifieke eigenschappen die nodig zijn.
Zo vroeg Procter & Gamble aan Ceder en zijn collega's om alle mogelijke materialen te screenen voor een nieuwe elektrode voor de Duracell-batterijen van het bedrijf. Het team was in staat om 130.000 echte of hypothetische verbindingen te screenen en stelde een lijst op van 200 die aan de gewenste criteria voldeden en die het potentieel hadden om beter te presteren dan de materialen die nu worden gebruikt. Een ander bedrijf gebruikte het systeem om een nieuwe katalysator te ontdekken voor het splitsen van water in waterstof en zuurstof; een derde gebruikte het om nieuw materiaal te vinden voor gebruik in computergeheugenchips.
De hoop is dat binnen vijf tot tien jaar de database informatie zal bevatten over de basiseigenschappen van alle verbindingen die kunnen bestaan. Dat zal de komende jaren een paar miljoen CPU-uren kosten, zegt Ceder. Dat klinkt als veel, maar is in feite relatief weinig vergeleken met rekenintensieve taken zoals klimaatmodellering of het simuleren van explosies, zegt hij.
Dit, zegt hij, zou moderne materiaalwetenschappers in staat stellen te evolueren van iets dat lijkt op 16e-eeuwse ontdekkingsreizigers - die proberen meer te weten te komen over een continent zonder kaarten of kompassen - naar de reizigers van vandaag, met hun GPS-apparaten.
We verdwalen niet meer, zegt Ceder. Maar net als bij kaarten, vertelt het Materials Project je niet waar je heen moet, het vertelt je alleen hoe je er moet komen: het is nog steeds aan jou om te beslissen welke eigenschappen je nodig hebt.
Geoffroy Hautier, een onderzoeker aan de Katholieke Universiteit van Leuven in België, zegt: De traditionele manier om materialen te ontwikkelen is vaak erg empirisch en steunt sterk op serendipiteit en intuïtie. Maar met het Materials Project, dat Hautier en collega's hebben gebruikt om nieuwe transparante, geleidende materialen te ontdekken, zorgt high-throughput computing voor een enorme versnelling van het hele proces.
Ik weet zeker dat er toepassingen zullen zijn waar we nooit aan hadden gedacht omdat we niet de expertise hadden om te vertellen dat deze specifieke eigenschap belangrijk was voor deze specifieke toepassing, voegt Hautier toe.
De gratis website heeft al 5.000 abonnees, van wie ongeveer een derde in de industrie. In de wereld van de materiaalkunde is dat een heel groot aantal, zegt Ceder. Het netto resultaat is dat het nu mogelijk is om materialen voor echte toepassingen te ontwikkelen in slechts twee jaar, vergeleken met 15 tot 20 jaar met traditionele methoden. We geloven dat we een gouden tijdperk van materiaalontwerp ingaan, zegt hij.