Omvendt design af spontant selvsamlende materialer

Forskere ved University of Texas i Austin undersøger, hvordan molekylære simuleringer med de nyeste optimeringsstrategier kan skabe en mere systematisk måde at opdage nye materialer, der udviser specifikke, ønskede egenskaber.

Mere specifikt, de gjorde det ved at omstøbe designmålet til det mikroskopiske, spørger, hvilke interaktioner mellem bestanddele partikler kan få dem til spontant at "selvsamle" til et bulkmateriale med en bestemt egenskab. For at finde svaret, rapporteret i denne uge i Journal of Chemical Physics , de besluttede at sætte fokus på, hvordan sammensatte partikler rumligt organiserer sig.

"Vores tekniske inspiration kom fra et meget andet forskningsfelt - modellering og simulering af biomolekyler, " sagde Thomas Truskett, en professor i McKetta Department of Chemical Engineering og medforfatter til værket. "Eksperter inden for dette felt havde udviklet en række værktøjer til at bruge molekylære simuleringer til at 'lære', hvilke forenklede modelinteraktioner, der kunne reproducere de udsøgte strukturelle egenskaber af store biomolekyler."

De anerkendte, at denne modelleringstilgang kunne bruges til at identificere enklere interpartikelinteraktioner, der spontant ville samle sig selv i de mere komplekse strukturer.

"Selvsamling er et fænomen, hvor partikler, såsom atomer og molekyler, organiserer sig spontant i komplekse multidimensionelle arkitekturer, " sagde Truskett. "Frysning af vand - at krystallisere det - er et dagligdags eksempel, og måden, hvorpå vandmolekyler arrangerer sig under foreskrevne ydre forhold, er dikteret af deres interaktioner eller kræfter."

For at udvide mulighederne for selvmontering, gruppen undersøgte en anden klasse af partikler kaldet "kolloider, " som typisk refererer til større molekyler eller nanopartikler suspenderet i en væske.

"[Kolloider er] interessante til selvsamling og adskiller sig fra deres mindre atomare og molekylære fætre, fordi deres interaktioner er meget afstembare, " sagde Ryan Jadrich, en postdoc i McKetta Department of Chemical Engineering. "Ved omhyggeligt at skræddersy kolloide partikelinteraktioner, vi kan udøve hidtil uset kontrol over de mikroskopiske organisatoriske detaljer for i høj grad at påvirke bulkmaterialeegenskaber."

Fremadrettet design har været de facto-tilgangen til teknisk selvmontering i mange år.

"I en meget forenklet fortolkning, fremadrettet design svarer til at fremstille partikler med nye interaktioner og derefter kontrollere for at se, hvad de samles til - forhåbentlig noget ønskeligt, " sagde Truskett. "Forskeres fysiske intuition kan hjælpe med at fremskynde processen med at realisere ønskede materialer, men denne tilgang er dyr ud fra et tidsperspektiv og kræver en vis grad af held eller store omkostninger."

Omvendt design, som gruppens arbejde henvender sig til, bogstaveligt talt forsøger problemet omvendt.

"Menneskeforskere gør, hvad de er gode til:forestiller sig nye og nyttige partikelarkitekturer. Og computere gør, hvad de er gode til:at løse komplekse optimeringsproblemer, " sagde Jadrich.

Ifølge Truskett, en af ​​de vigtigste fordele ved den nye omvendte designtilgang er, at den giver en meget generel ramme, der kan anvendes til at målrette selvsamling af krystallinske eller flydende materialer "on the fly."

"[D]en metode 'lærer' alt, hvad den har brug for, da de relevante data naturligt fremkommer fra en iterativ, simulationsdrevet rammeværk, " sagde han. "En interessant konsekvens er, at der ikke kræves nogen prækompileret hjælpedatabase med information - sådanne datalagre var en uønsket forudsætning for tidligere krystal-inverse designtilgange."

De samlede beregningsmæssigt nogle direkte spændende partikelarkitekturer, herunder en beskrevet som "schweizerost".

"I dette tilfælde, vi opdagede interaktioner, der fik partikler til at samle sig selv i en matrix omkring sfæriske huller, a.k.a. porer eller hulrum, " sagde Truskett. "Bemærkelsesværdigt, disse porer ordnet i et krystallinsk arrangement, mens de mindre 'rigtige' partikler forblev i en uorden, flydende tilstand siver rundt om porerne."

Selvom omvendt design er et relativt ungt og aktivt forskningsområde, der er allerede gjort fremskridt hen imod en generel og praktisk brugbar ramme, ifølge Jadrich, hvor deres arbejde repræsenterer én ny strategi. Omvendt design er en del af en ny trend på tværs af videnskabelige discipliner, ved hjælp af computational machine learning og statistisk interferens til at fremskynde opdagelse.

"Omvendt design gør det muligt at opdage meget mere komplekse materialer, på computere, end nogensinde før, og det er en tendens vi tror vil fortsætte, " sagde han. "Sådanne værktøjer vil ikke snart erstatte menneskelige forskere, men tillade forskerne at fokusere på andre, ofte mere interessante opgaver, der kræver kreativt design. Hovedparten af ​​arbejdet, hvilket svarer til at drille subtile detaljer, finde mønstre, eller udføre komplekse beregninger, kan nu henvises til automatisering."