211service.com
Ontwerpen van structuren gemaakt van nanomaterialen
Het maken van complexe structuren van nanodeeltjes of polymeren, of het nu voor fotonisch computergebruik of zonnecellen is, brengt doorgaans veel dure en tijdrovende trial-and-error in het laboratorium met zich mee. Theoretici hopen het proces te vereenvoudigen door computermodellen te ontwikkelen die recepten genereren die altijd goed uitkomen, maar tot nu toe waren degenen die ze hebben gemaakt te complex om in het laboratorium te realiseren. Nu, in de hoop deze algoritmen bruikbaar te maken voor scheikundigen, hebben computerwetenschappers bij Microsoft een model vereenvoudigd dat recepten maakt voor zelf-assemblerende materialen.
Deeltjesverpakking: Algoritmen ontworpen door Microsoft-onderzoekers voorspellen wat de krachten tussen een groep deeltjes moeten zijn om ze zichzelf te laten assembleren tot een bepaalde structuur, zoals een dicht opeengepakte kubus.
De nieuwe Microsoft-modellen, deze week beschreven in de Proceedings van de National Academy of Sciences , zijn bedoeld om het ontwerp van nieuwe zelf-geassembleerde structuren te versnellen. Met vallen en opstaan hebben materiaalwetenschappers nanodeeltjes gebruikt om structuren te maken op wat de mesoschaal wordt genoemd. Deze geordende rangschikkingen van deeltjes op nanoschaal kunnen opmerkelijke optische, elektrische en andere eigenschappen hebben, maar zijn moeilijk te maken. Theorie ontbreekt daar enorm, zegt Mila Boncheva, senior wetenschapper bij Firmenich in Genève, die een belangrijke rol speelde in het vroege onderzoek naar dit soort zelfassemblage aan de Harvard University. Wat mensen momenteel doen in het ontwerp is meestal vallen en opstaan gebaseerd op gezond verstand. Het theoretische model is bedoeld om materiaalwetenschappers veel sneller te helpen erachter te komen wat de juiste materialen en voorwaarden zijn voor zelfassemblage van een bepaalde structuur.
Als je een vorm of vorm in gedachten hebt, zal het model je vertellen hoe je het kunt krijgen, zegt Henry Cohn , hoofdonderzoeker bij Microsoft Research New England , die het werk leidde met MIT-assistent-professor wiskunde Abhinav Kumar . De eigenschappen van materialen die op mesoschaal zijn gestructureerd, worden in grote mate bepaald door hoe de afzonderlijke componenten, of het nu polymeren of nanodeeltjes zijn, ten opzichte van elkaar zijn gerangschikt. Zilveren nanodeeltjes die in oplossing drijven, reflecteren bijvoorbeeld licht op verschillende manieren, afhankelijk van hoe dicht ze op elkaar zijn gepakt - een principe dat wordt gebruikt om apparaten voor fotonisch computergebruik te ontwerpen.
Of deeltjes al dan niet samenkomen in een bepaalde structuur, wordt bepaald door de krachten ertussen. Elektrische ladingen spelen bijvoorbeeld een bijzonder belangrijke rol bij het bepalen of twee deeltjes elkaar aantrekken of afstoten. Het Microsoft-model genereert een kaart van hoe sterk deze krachten moeten zijn. Dat wil zeggen, gegeven een gewenste structuur, wat zou de potentiële energie tussen elk van de deeltjes en zijn buren moeten zijn? Deze modellen worden potentiële functies genoemd.
Het is gemakkelijk om potentiële functies [op een computer] te ontwerpen, en echt, heel moeilijk om ze in werkelijkheid te genereren, zegt George Whitesides , een professor in de chemie aan de Harvard University en pionier in zelfassemblage. Om deze krachten te genereren, moet worden uitgezocht welke modificaties aan de deeltjes, bijvoorbeeld het toevoegen van meer positief geladen groepen aan polymeren, de juiste krachten tussen afzonderlijke deeltjes zullen genereren en tot de assemblage van de gewenste structuur zullen leiden.
Cohn zegt dat het doel van zijn werk is om deze kloof tussen theorie en werkelijkheid te overbruggen. Eerdere versies van deze algoritmen hebben zeer complexe instructies gegenereerd voor het samenstellen van deze structuren, waarbij wordt bepaald dat aan een zeer groot aantal parameters moet worden voldaan om een structuur te kunnen assembleren. Als je uitgebreide potentiële functies mag maken, kun je uitgebreide dingen doen en prachtige materialen maken in de computer, zegt hij. Nu is de vraag voor theoretici, zegt Cohn, kunnen we meer bereiken met eenvoudigere interacties?
De onderzoekers van Microsoft en MIT hebben een belangrijke stap gezet in de richting van deze vereenvoudiging, zegt Salvatore Torquato , een professor in de chemie aan het Princeton Institute for the Science and Technology of Materials. Hun modellen vereisen een veel kleiner aantal van deze potentiële-energierelaties dan de vorige. Dat brengt het van heel hypothetisch naar iets realistischer om in het laboratorium te produceren, zegt Torquato. De verfijning van het Microsoft-model komt deels voort uit het introduceren van ideeën uit de informatietheorie.
De volgende stap is om samen met chemici een van deze voorspelde structuren in het lab te creëren. Ik geloof dat de materiaalwetenschap van de toekomst op deze manier zal worden gedaan, zegt Torquato over computermodellering. Whitesides is van mening dat de theoretici die toekomst nog lang niet beseffen, omdat het nog steeds onduidelijk is of de soorten functies die door Cohn worden ontwikkeld, kunnen worden gebruikt om zelf-assemblerende structuren te maken, of dat een andere theoretische benadering nuttiger zal blijken te zijn . Maar volgens Whitesides is het de moeite waard om aan dit soort algoritmen te werken, omdat de resulterende schreeuwmatch zal helpen bepalen wat er moet gebeuren om ze bruikbaar te maken.