High-throughput metode til at identificere nye materialer

Kobling af computerautomatisering med en inkjet-printer, der oprindeligt blev brugt til at printe T-shirt-designs, forskere hos Caltech og Google har udviklet en high-throughput metode til at identificere nye materialer med interessante egenskaber. I en prøvekørsel af processen, de screenede hundredtusindvis af mulige nye materialer og opdagede et lavet af kobolt, tantal, og tin, der har justerbar gennemsigtighed og fungerer som en god katalysator for kemiske reaktioner, mens den forbliver stabil i stærke sure elektrolytter.

Indsatsen, beskrevet i en videnskabelig artikel publiceret i Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ), blev ledet af John Gregoire og Joel Haber fra Caltech, og Lusann Yang fra Google. Det bygger på forskning udført ved Joint Center for Artificial Photosynthesis (JCAP), en Department of Energy (DOE) Energy Innovation Hub hos Caltech, og fortsætter med JCAP's efterfølger, Liquid Sunlight Alliance (LiSA), en DOE-finansieret indsats, der har til formål at strømline de komplicerede trin, der er nødvendige for at omdanne sollys til brændstoffer, at gøre den proces mere effektiv.

At skabe nye materialer er ikke så simpelt som at droppe et par forskellige elementer i et reagensglas og ryste det op for at se, hvad der sker. Du har brug for de elementer, du kombinerer for at binde med hinanden på atomniveau for at skabe noget nyt og anderledes i stedet for blot en heterogen blanding af ingredienser. Med et næsten uendeligt antal mulige kombinationer af de forskellige kvadrater i det periodiske system, udfordringen er at vide, hvilke kombinationer der vil give et sådant materiale.

"Materialopdagelse kan være en dyster proces. Hvis du ikke kan forudsige, hvor du kan finde de ønskede egenskaber, du kan bruge hele din karriere på at blande tilfældige elementer og aldrig finde noget interessant, " siger Gregoire, forskningsprofessor i anvendt fysik og materialevidenskab, forsker ved JCAP, og LiSA-teamleder.

Når man kombinerer et lille antal individuelle elementer, materialeforskere kan ofte komme med forudsigelser om, hvilke egenskaber et nyt materiale kan have baseret på dets bestanddele. Imidlertid, den proces bliver hurtigt uholdbar, når der laves mere komplicerede blandinger.

"Alt mere end to elementer betragtes som 'højdimensionelle' i materialevidenskab, " siger Gregoire. "De fleste eller alle et- og to-metaloxiderne er allerede kendt, " siger han. "Den ukendte grænse er tre eller flere sammen." (Metaloxider er faste materialer, der indeholder positivt ladede metalioner, eller kationer, og negativt ladede oxygenioner, eller anioner; rust, for eksempel, er jernoxid.)

De fleste materialer i jordskorpen er metaloxider, fordi ilten i atmosfæren reagerer med forskellige metaller i jordskorpen. Metaloxidernes miljøstabilitet gør dem praktisk anvendelige, forudsat at der kan identificeres specifikke sammensætninger af sådanne oxider, som vil give den mekaniske, optisk, elektronisk, og kemiske egenskaber, der er nødvendige for en given teknologi.

Selvom materialeforskere har vist, hvordan alle disse egenskaber kan indstilles ved brug af forskellige metaloxider, opnåelse af de nødvendige egenskaber til en bestemt anvendelse kan kræve specifikke kombinationer af flere elementer, og at finde de rigtige er en skræmmende udfordring.

For at nå grænsen for tre-eller-flere-metaloxid, Gregoires gruppe trak på et årtis arbejde fra JCAP. der, forskere har udviklet metoder til at skabe 100, 000 materialer om dagen. Et sådant materiale - opdaget i denne undersøgelse - blev produceret ved at bruge genbrugte inkjet-printere til at "printe" nye materialer på glasplader. Hver kombination af elementer blev trykt som en linje med en graduering af forholdet mellem dets bestanddele og derefter oxideret ved høj temperatur.

Hvert af disse materialer blev derefter scannet og afbildet hos Caltech ved hjælp af en hyperspektral billedbehandlingsteknik, der er udviklet i samarbejde med Google, og som hurtigt kan fange information om materialet ved at registrere, hvor meget lys det absorberer ved ni forskellige bølgelængder. "Det er ikke en omfattende analyse af materialet, men det er hurtigt og giver ledetråde til kompositionerne med interessante egenskaber, " siger Haber, forskningskemiker og materialeingeniør ved JCAP og LiSA.

I alt, Caltech-teamet skabte 376, 752 tre-metal-oxid-kombinationer baseret på 10 metalelementer og producerede prøver af hver enkelt kombination 10 forskellige tidspunkter for at opdage og frasortere eventuelle fejl i synteseprocessen. "Udskrivningen kan have artefakter, hvilket er det offer, du giver for hurtigheden. Analyser fra Google lærte os at lave alt 10 gange for at opbygge tillid til resultaterne, " siger Gregoire.

Skønt ufuldkommen, processen skaber tre-metalmaterialer omkring 1, 000 gange hurtigere end traditionelle teknikker såsom dampaflejring, hvor det nye materiale belægges på et underlag ved at kondensere det fra en damp.

Googles computeringeniører skabte derefter algoritmer til at behandle de hyperspektrale billeder og søgte efter specifikke sammensætninger, hvis optiske egenskaber kun kan forklares ved kemiske interaktioner mellem de tre metalelementer.

"Hvis de tre elementer kemisk interagerer for at give exceptionelle optiske egenskaber, deres interaktioner kan også give anledning til andre ekstraordinære egenskaber, " forklarer Gregoire. Fordi teknikken kan identificere den lille del af sammensætninger, der viser tegn på disse kemiske interaktioner, det indsnævrer også høstakken for materialeforskere, der leder efter nåle, så at sige.

"Johns laboratorium havde den slags problemer, vi drømmer om hos Google Applied Science; han kan udskrive hundredtusindvis af prøver på en dag, resulterer i terabyte billeddata, " siger Google-forsker Lusann Yang. "Vi var glade for at arbejde tæt sammen med ham på hvert trin i dette seksårige samarbejde, finde steder at anvende Googles unikke værktøjssæt til iterative eksperimenter på store mængder støjende data:design af eksperimenter, debugging hardware, behandle store mængder billeddata, og skabe fysik-inspirerede algoritmer. Resultatet er et eksperimentelt datasæt med unik bredde på tværs af mange kemiske rum, som jeg er stolt af at åbne kilde."

For at validere deres resultater, Gregoires team hos Caltech genskabte de materialer, der blev markeret som "interessante" ved hjælp af fysisk dampaflejring og analyserede dem ved hjælp af røntgendiffraktion, en langsommere, men mere grundig proces end hyperspektral billeddannelse. Denne type validering afslørede, at den automatiserede high-throughput-proces var mere dygtig til at spotte nye materialer end en grundig analyse af de hyperspektrale data af en menneskelig videnskabsmand.

Det PNAS papiret har titlen "Opdagelse af komplekse oxider via automatiserede eksperimenter og datavidenskab."