Digital alkymi til reverse-engineering af nye materialer

I arbejde, der hæver materialedesign, forskere har med computersimuleringer demonstreret, at de kan designe en krystal og arbejde baglæns til partikelformen, der selv samler sig for at skabe den.

Det kan føre til en ny klasse af materialer, såsom krystalbelægninger, der producerer farver, der aldrig falmer.

"Disse resultater slår materialedesign og vores forståelse af entropi på hovedet, " sagde Sharon Glotzer, Anthony C. Lembke Department Chair of Chemical Engineering ved University of Michigan og seniorforfatter på papiret i Videnskabens fremskridt .

Materialer med helt nye egenskaber skal typisk opdages ved et uheld. For eksempel, det krævede et legende eksperiment med cellofantape og en klump grafit for at opdage grafen i 2004 - nu et nobelvindende vidundermateriale for sin kombination af styrke, fleksibilitet, gennemsigtighed og ledningsevne.

I stedet for at vente på serendipity, materialeforskere vil gerne opfinde et vidundermateriale og derefter finde ud af, hvordan man laver det. Det er denne "omvendte" tilgang til at designe materialer - der arbejder baglæns fra de ønskede egenskaber - som holdet kalder "digital alkymi."

"Det giver os virkelig mulighed for at fokusere på resultatet og udnytte det, vi ved, til at finde et udgangspunkt for at bygge det materiale, " sagde Greg van Anders, en tilsvarende forfatter på papiret og en assisterende professor i fysik ved Queen's University i Kingston, Ontario. Undersøgelsen blev lavet, mens han tidligere var på U-M.

Glotzer er førende i at studere, hvordan nanopartikler selv samles gennem entropiens overraskende mekanisme. Mens entropi almindeligvis opfattes som et mål for uorden, Glotzers team udnytter det til at skabe ordnede krystaller fra partikler. De kan gøre dette, fordi entropi egentlig ikke er uorden, men hellere, det er et mål for, hvor frit systemet er. Hvis partiklerne havde meget plads, de ville være fordelt over det og orienteret tilfældigt - samlingen af ​​partikler har mest frihed, når de individuelle partikler har mest frihed.

Men i de systemer, Glotzer fokuserer på, partiklerne har ikke meget plads. Hvis de er tilfældigt orienteret, de fleste af dem vil blive fanget. Systemet af partikler er mest frit, hvis partiklerne organiserer sig i en krystalstruktur. Fysikken kræver dette, og partiklerne adlyder.

Afhængig af partikelformer, Glotzers team og andre har vist, hvordan du kan få en række interessante krystaller - nogle ligner saltkrystaller eller atomgitre i metaller, og nogle tilsyneladende nye (såsom "kvasikrystaller, " som ikke har noget gentaget mønster). Tidligere har de har gjort dette på den sædvanlige måde ved at vælge en partikelform og simulere den krystal, den ville lave. De brugte år på at opdage designreglerne, der gør det muligt for partikler af bestemte former at bygge bestemte krystaller.

Nu, de har vendt det om, så de kan tilslutte en krystalstruktur til deres nye program, og det giver dem en partikelform, der vil bygge det. Ved at omformulere spørgsmålet fra "Hvilken krystal vil denne form lave?" til "Vil denne form lave min krystal?" - holdet udforskede mere end 100 millioner forskellige former i undersøgelsen.

"På en enkelt dag, på en almindelig computer, vi var i stand til at studere flere forskellige slags partikler, end der er blevet rapporteret i det sidste årti, sagde van Anders.

De brugte softwaren til at identificere partikelformer til at bygge fire almindelige krystalgitre (simpel kubisk, kropscentreret kubisk, ansigtscentreret kubisk og diamant) og to mere komplekse gitter (beta-mangan og beta-wolfram). Da disse lykkedes, de prøvede et gitter, der ikke er kendt i naturen, et af deres eget design - en variation af krystallen kendt som "sekskantet tætpakket."

Holdet forudser, at eksperimentelle nanoforskere vil være i stand til at lave disse krystaller ved at producere et parti partikler i den rigtige form og tilføje dem til en væske. I væsken, nanopartiklerne samler sig selv. Så længe de forbliver indespærrede, de vil beholde deres struktur.

Dette kan føre til fremskridt inden for menneskeskabte strukturelle farver, ligner hvordan sommerfuglevinger producerer deres strålende nuancer gennem interaktioner med lys. I modsætning til pigmenter, strukturel farve falmer ikke. Farven kunne også tændes og slukkes med en mekanisme til enten at begrænse partiklerne, så de danner krystallen eller give dem plads, så krystallen falder fra hinanden.

Denne forskning er rapporteret i Videnskabens fremskridt i et papir med titlen "Engineering entropy for the inverse design of colloidal krystaller fra hårde former."