Forskere designer udvindingsmidler til sjældne jordarter ved hjælp af ny software

U.S. Department of Energy's Critical Materials Institute har udviklet et computerprogram, kaldet ParFit, som i høj grad kan reducere mængden af ​​tid brugt på at identificere lovende kemiske forbindelser, der bruges i sjældne jordarters behandlingsmetoder.

At teste og udvikle mere effektive og miljøvenlige måder at udvinde sjældne jordarters metaller så hurtigt som muligt er et primært mål for CMI. Sjældne jordarters metaller er afgørende for mange moderne energiteknologier, men høj kommerciel efterspørgsel og mineudfordringer har gjort optimering af vores lands produktion og brug af dem af afgørende betydning.

"Traditionel, kvantemekaniske metoder til at forudsige det molekylære design og opførsel af disse ekstraktionsmidler er for beregningsmæssigt dyre, og tager for lang tid til den nødvendige tidsplan, " sagde softwaredesigner og CMI-forsker Federico Zahariev. "Så vi udviklede et program, der kunne skabe en enklere klassisk mekanisk model, som stadig ville afspejle nøjagtigheden af ​​den kvantemekaniske model."

ParFit bruger traditionelle og avancerede metoder til at træne den klassiske mekaniske model til at passe kvantemekanisk information fra et træningssæt. Disse klassiske modeller kan derefter bruges til at forudsige formen af ​​nye ekstraktionsmidler, og hvordan de binder sig til metaller.

"Groft sagt, tænk på molekylets form og struktur som et system af fjedre, hvor der måske skal være mange små stramninger eller løsnelser af forskellige forbindelser for at få det til at fungere korrekt, " sagde CMI-forsker Theresa Windus. "Det er den samme måde, som vi anvender de kvantemekaniske beregninger til at skabe disse klassiske mekaniske modeller - det er en kedelig, risiko for fejl, og langvarig proces. ParFit gør dette så hurtigt som muligt, automatiserer tilpasningen af ​​disse parametre, og gengiver nøjagtigt de kvantemekaniske energier."

"Programmets muligheder gør det muligt for forskerne at modellere et næsten ubegrænset antal nye ekstraktionsmidler, " sagde softwareudvikler og CMI-forsker Marilu Dick-Perez. F.eks. de klassiske modeller, der bruges i softwarekoden, HostDesigner – udviklet af Benjamin Hay fra Supramolecular Design Institute, skaber og vurderer hurtigt mulige ekstraktionsmidler for levedygtighed og målretter ekstraktionsmidler, der er bedst egnede til videre forskning. "Vi har reduceret beregningsarbejdet fra 2-3 år ned til tre måneder, " sagde hun. "Vi har indarbejdet så meget ekspertviden i dette program som muligt, så selv en nybegynder kan navigere i programmet."

Softwarens muligheder diskuteres yderligere i et papir, "ParFit:Et Python-baseret objektorienteret program til tilpasning af molekylærmekaniske parametre til ab-initiodata", skrevet af Federico Zahariev, Nuwan De Silva, Mark S. Gordon, Theresa L. Windus, og Marilu Dick-Perez, og offentliggjort i Journal of Chemical Information and Modeling .