Computationele doorbraak opent materiaalpad naar duurzame technologieën

De atomaire structuur van de kristallijne substantie granaat komt overeen met de krater op het potentiële energieoppervlak gevuld met bergen, heuvels en ruige valleien. Het is heel moeilijk om ze rekenkundig te vinden, maar door een raster op dit oppervlak te installeren, kunnen geavanceerde algoritmen en kwantumcomputers worden gebruikt om de kleinste valse piek te vinden. Daaropvolgende modificatie onthult de structuur van de granaat, die wordt geleverd met een garantie voor optimalisatie. Krediet: Universiteit van Liverpool

Het wiskundige algoritme dat is ontwikkeld door de onderzoekers van de Universiteit van Liverpool zou een stapsgewijze verandering kunnen betekenen in de zoektocht naar het ontwerpen van de nieuwe materialen die nodig zijn om de uitdaging van netto nul en een duurzame toekomst aan te gaan.

Nieuw onderzoek door de Universiteit van Liverpool zou een stapsgewijze verandering kunnen betekenen in de zoektocht naar het ontwerpen van de nieuwe materialen die nodig zijn om de uitdaging van een netto nul en duurzame toekomst aan te gaan.

Publicatie in het tijdschrift natuurtoonden de Liverpool-onderzoekers aan dat een wiskundig algoritme de structuur van elk materiaal kan voorspellen op basis van kennis van de atomen waaruit het bestaat.

Het algoritme is ontwikkeld door een multidisciplinair team van onderzoekers van de afdelingen Scheikunde en Computerwetenschappen van de Universiteit van Liverpool en evalueert systematisch hele groepen mogelijke structuren tegelijk, in plaats van ze één voor één te bekijken, om de identificatie van de juiste oplossing te versnellen.

Deze doorbraak maakt het mogelijk om die materialen te identificeren die kunnen worden gesynthetiseerd en, in veel gevallen, om hun eigenschappen te voorspellen. De nieuwe methode is getoond op kwantumcomputers die veel problemen sneller kunnen oplossen dan conventionele computers en daardoor rekenprocessen nog verder kunnen versnellen.

Onze manier van leven is gebaseerd op materialen – “alles is ergens van gemaakt”. Er zijn nieuwe materialen nodig om de uitdaging van netto nul aan te gaan, van batterijen en zonne-absorbers om schone energie te leveren tot de energiezuinige rekenkracht en katalysatoren die de schone polymeren en chemicaliën van onze duurzame toekomst zullen maken.

Dit onderzoek is traag en moeilijk omdat er zoveel manieren zijn waarop atomen kunnen worden gecombineerd om materialen te vormen, en in het bijzonder zoveel structuren die ze kunnen vormen. Bovendien hebben materialen met metamorfe eigenschappen waarschijnlijk andere structuren dan de huidige structuren, en het voorspellen van een structuur waarover niets bekend is, is een enorme wetenschappelijke uitdaging.

Professor Matt Roscinski, van de afdeling Chemie en Materiaalinnovatiefabriek van de universiteit, zei: “Zekerheid hebben in het voorspellen van kristalstructuren biedt nu de mogelijkheid om uit de hele ruimte van de chemie precies te leren welke materialen kunnen worden gesynthetiseerd en van welke structuren ze afhankelijk zullen zijn. waardoor we voor het eerst in staat zijn om het onderliggende systeem voor toekomstige technologieën te identificeren.

“Met deze nieuwe tool kunnen we identificeren hoe we algemeen beschikbare chemische elementen kunnen gebruiken en materialen kunnen maken om die op basis van zeldzame of giftige elementen te vervangen, en materialen vinden die beter presteren dan die waarop we vandaag vertrouwen, om te voldoen aan toekomstige uitdagingen voor de samenleving.” duurzaam.”

Professor Paul Spirakis, van de afdeling Computerwetenschappen van de universiteit, zei: “We hebben een algemeen algoritme kunnen bieden voor de voorspelling van kristalstructuren dat kan worden toegepast op een verscheidenheid aan structuren. Door de koppeling van lokale miniaturisatie aan programmeren met gehele getallen konden we verkennen onbekende atomaire posities in continue ruimte met behulp van robuuste optimalisatiemethoden.” in een aparte ruimte.

Ons doel is om meer algoritme-ideeën te verkennen en te gebruiken in een leuk avontuur om nieuw en nuttig materiaal te ontdekken. De krachten bundelen met scheikundigen en informatici was de sleutel tot dit succes.”

Het artikel “Optimaliteitsgaranties voor voorspelling van kristalstructuren” werd op 5 juli in het tijdschrift gepubliceerd natuur.

Referentie: “Optimale garanties voor voorspelling van kristalstructuren” door Vladimir F. Rosinski, 5 juli 2023, hier beschikbaar. natuur.
DOI: 10.1038/s41586-023-06071-y

Het onderzoeksteam bestaat uit onderzoekers van de afdelingen Computerwetenschappen en Chemie van de Universiteit van Liverpool, de Materials Innovation Factory en het Leverhulme Research Centre for Functional Materials Design, dat is opgezet om nieuwe benaderingen te ontwikkelen voor het ontwerpen van functionele materialen op atomair niveau meerdere vakgebieden. onderzoek.

Dit project heeft financiering ontvangen van de Leverhulme Trust en de Royal Society.