Forsker trækker fra fortid for at forme fremtiden for glasforskning

Glas har været en del af samfundet i tusinder af år, så det er nemt for dette materiale at blive usynligt og overset, men en materialeforsker i Penn State har lagt en plan for at kortlægge glasgenomet og fremme glassets fremtid.

Indsatsen er en del af Materials Genome Initiative, som forsøger at fordoble hastigheden af ​​at udvikle nye materialer.

John Mauro, professor i materialevidenskab og teknik ved Penn State, bygger et sæt prædiktive modelleringsværktøjer, der kombinerer viden fra glasfysik og kemi, at kortlægge glassets byggesten og egenskaber, meget som bestræbelser på at forstå det menneskelige genom. Hans team bygger allerede et stærkt fundament for forståelse af glassammensætning, struktur og ejendomsforhold i industrielt relevante systemer. Han rapporterer sine resultater i et nyligt nummer af Aktuel mening i faststof- og materialevidenskab .

"Idéen med at afkode glasgenomet er, at vi omfavner alle disse forskellige modelleringstilgange, fra grundlæggende fysik til empirisk modellering og maskinlæring, " sagde Mauro. "Ved at kombinere alle disse værktøjer sammen, vi kan få de bedste modeller til alle de glasegenskaber, vi holder af. Så kan vi bruge denne nye viden til at forbedre nuværende kompositioner, samt gå ind i nye kompositionsrum."

Et område Mauro ønsker at styrke er samarbejdet mellem glaskemi- og glasfysikmiljøerne. Han har gjort en karriere ud af at kombinere disse to områder og sagde, at samspillet mellem kemi og fysik vil være nøglen til en bedre forståelse af glas.

Konceptet med maskinbaserede læringsmodeller til at fremme materialeforskning, hvor avancerede computere analyserer tilsyneladende utallige variabler og kombinationer for at søge efter nye egenskaber og anvendelser, har eksisteret i mange år. Men det er for nylig blevet en drivkraft på grund af stadigt voksende computerkraft.

Mauro sagde, at opfindere traditionelt ser på at skræddersy glas for at opfylde specifikke egenskaber. For eksempel, Cornings gorillaglas, som Mauro hjalp med at designe, tilføjet styrke til et tyndt lag gennemsigtigt glas. Imidlertid, genom-tilgangen vil give opfindere mulighed for at tænke anderledes, fordi den vil fremhæve det utal af potentielle egenskaber, der er tilgængelige gennem glasformuleringer. Glassammensætninger kan derefter konstrueres til unikke materialer for at imødekomme strenge krav til fremtidige anvendelser.

"Det er meget anderledes end bare at prøve at designe et glas, der kun har brug for et bestemt sæt egenskaber, fordi disse målegenskaber ofte vil ændre sig, " sagde Mauro. "Med genom-tilgangen, uanset hvordan målet ændres, du er i stand til at finde på noget, der opfylder disse krav."

Afkrydsning af en liste over områder, hvor glas stadig er på forkant - energigenerering og -lagring, mere effektive bygninger, biomedicinske komponenter, nanommedicinsk lægemiddellevering og kommunikation, og informationsdisplayteknologi – det er let at se vigtigheden af ​​at forstå alle potentielle egenskaber ved glas.

"Nogle mennesker har en forestilling om, at glas er et gammeldags materiale, fordi det har været brugt i tusinder af år, " sagde Mauro. "F.eks. vi tager glasruder for givet, men der er en masse avanceret kemi, fysik og ingeniørteknologi, der indgår i fremstillingen af ​​almindelige vinduesglas. Hvis vi ønsker at udvikle den næste generation af glasprodukter, vi skal udvikle en virkelig dyb forståelse af glas."