Diamantlignende kulstof dannes anderledes end det man troede-maskinlæring muliggør udvikling af en ny model

Forskere ved Aalto University og Cambridge University har gjort et betydeligt gennembrud inden for beregningsvidenskab ved at kombinere modellering på atomniveau og maskinlæring. For første gang, metoden er blevet brugt til realistisk at modellere, hvordan et amorft materiale dannes på atomniveau:det vil sige, et materiale, der ikke har en regelmæssig krystallinsk struktur. Metoden forventes at have indflydelse på forskningen i mange andre materialer.

"Hemmeligheden bag vores succes er maskinlæring, hvorigennem vi kan modellere adfærd for tusindvis af atomer over lange perioder. På denne måde, vi har opnået en mere præcis model, "forklarer postdoktorforsker Miguel Caro.

Holdets simuleringer afslører, at diamantlignende kulfilm dannes på atomniveau på en anden måde, end man troede. Den fremherskende forståelse i løbet af de sidste 30 år af dannelsesmekanismen for amorf kulfilm har været baseret på antagelser og indirekte eksperimentelle resultater. Hverken en god eller endda en tilstrækkelig atom-model har været tilgængelig indtil nu. Den nye metode har nu væltet de tidligere kvalitative modeller og givet et præcist billede på atomniveau af dannelsesmekanismen.

"Tidligere, Man mente, at der dannes amorfe kulfilm, når atomer pakkes sammen i et lille område. Vi har demonstreret, at mekaniske stødbølger kan forårsage dannelse af diamantlignende atomer længere væk fra det punkt, hvor de påvirkende atomer rammer målet, beretter Caro, der udførte simuleringerne på CSC (IT Center for science) supercomputere, modellering af aflejring af titusinder af atomer.

Resultaterne åbner betydelige nye veje for forskning

Der er utallige forskellige anvendelser til amorft kulstof. Det bruges som belægning i mange mekaniske anvendelser, såsom bilmotorer, for eksempel. Ud over, materialet kan også bruges til medicinske formål og i forskellige energirelaterede, biologiske og miljømæssige anvendelser.

"For os, den vigtigste anvendelse er biosensorer. Vi har brugt meget tynde amorfe carboncoatings til at identificere forskellige biomolekyler. I disse applikationer, det er især vigtigt at kende filmens elektriske, kemiske og elektrokemiske egenskaber og for at kunne tilpasse materialet til en bestemt anvendelse, "forklarer professor Tomi Laurila.

Dr. Volker Deringer, en Leverhulme Early Career Fellow, er især begejstret for at bruge disse metoder til amorfe materialer.

"Samarbejde har været en stor succes, "slutter Deringer og Caro, der fortsætter samarbejdet mellem deres institutioner gennem løbende besøg. Teamet forventer, at deres tilgang vil hjælpe mange andre inden for eksperimentel materialeforskning, fordi det kan give oplysninger om materialer med et præcisionsniveau tæt på kvantemekaniske metoder, men samtidig kan gøre brug af tusinder af atomer og lange simuleringstider. Begge disse er ekstremt vigtige for et realistisk billede af processerne i eksperimenter.

"Jeg er især begejstret for de muligheder, denne metode giver for yderligere forskning. Denne model på atomniveau producerer verificerbart korrekte resultater, der svarer usædvanligt godt til de eksperimentelle resultater, afslører også for første gang fænomenerne på atomniveau bag resultaterne. Ved hjælp af modellen, vi kan, for eksempel, forudsige, hvilken slags kulstofoverflade, der ville være bedst til måling af neurotransmittere dopamin og serotonin, «siger Laurila.