Încercarea de a găsi noi materiale, pentru a îmbunătăţi performanţele a orice de la microcipuri până la caroseria maşinilor a fost întotdeauna un proces de încercare şi eroare. Cercetătorul în domeniul studiului materialelor de la MIT, Gerbrand Ceder, o aseamănă cu plecarea din Boston către California, fără o hartă sau un sistem de navigaţie, dar şi pe jos.
Dar, spune el, după secole de a face studiul materialelor în felul învechit, o revoluţie semnificativă este în desfăşurare, mulţumită unei baze uriaşe de date computerizate şi a unui sistem de simulare care poate sorta printre mii de materiale potenţiale în timpul pe care anterior l-ar fi necesitat studiul unuia singur. Sistemul este numit Materials Project; deşi vechi de numai trei ani, el a produs deja noi descoperiri importante.
Exemple de materiale descoperite prin noua tehnică: au fost identificaţi, printr-o căutare computerizată de înaltă performanţă, compuşi conţinând litiu numiţi sidorenkite ca materiale potenţiale pentru catodul bateriilor. Nici un material care să conţină litiu cu grupurile chimice CO3 şi PO4, găsite în aceşti compuşi, nu există în natură - aceste materiale sunt integral sintetice şi neaşteptate. În funcţie de metalul specific din ele, iau o culoare distinctă (după cum este arătat aici).
De exemplu, cercetătorii folosind instrumentele Materials Project online au găsit tipuri complet noi de materiale conductoare transparente - o clasă importantă pentru dispozitivele cu ecran tactil, ca de exemplu telefoanele inteligente, care nu există în natură şi a căror existenţă nu a fost prevăzută. Alţii au folosit sistemul pentru a descoperi noi materiale care îşi pot găsi utilizarea în electrozii bateriilor sau în semiconductori.
Există un total de circa 35.000 de compuşi anorganici cunoscuţi, spune Ceder; aproape toţi sunt incluşi în baza de date Materials Project. Baza de date include, de asemenea, mii de compuşi necunoscuţi, care nu există în natură şi care nu au fost încă sintetizaţi în laborator, dar ale căror caracteristici de bază pot fi prevăzute folosind calcule complexe bazate pe teoria mecanicii cuantice. Viziunea este de a crea un compendiu al caracteristicilor materialelor; conductibiltate electrică, structura cristalină, duritate, stabilitate şi aşa mai departe.
Ceder şi colegii de la MIT şi Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) au descris această nouă abordare pe care ei o numesc “high-throughput computational materials design” (proiectare a materialelor prin calcul computerizat de înaltă performanţă), în articole recente din Scientific American şi APL Materials. Munca lor a inspirat Casa Albă să lanseze un proiect naţional, numit acum Materials Genome Initiative (numele iniţial al proiectului condus de MIT şi LBNL), pentru a face cunoscută această nouă abordare instituţiilor din cuprinsul SUA.
"Ştim foarte puţine despre lumea compuşilor chimici din jurul nostru", spune Ceder, profesor Richard P. Simmons la catedra Materials Science and Engineering. 'Dacă alegi la întâmplare un compus dintre cele pe care le cunoaştem şi întrebi: "Cât este de dur? Este un bun conductor? Ce culoare are? Este rigid? - nu aţi şti răspunsurile". O estimare nerafinată, spune el, este că noi cunoaştem mai puţin de unu la sută din proprietăţile compuşilor ce ne înconjoară.
Şi asta numai considerând proprietăţile de bază, spune Ceder: cunoaşterea este încă şi mai puţină când vine vorba despre "comportare inginerească" - cunoaşterea mai detaliată, ca de exemplu durabilitatea sub sarcină sau susceptibilitatea la coroziune, necesară pentru a alege un material pentru o anume aplicaţie. Planul de a alcătui o bază de date a proprietăţilor materialelor, spune el, pune o temelie, aşa cum Human Genome Project (Proiectul Genomului Uman) a stabilit fundamentul cunoaşterii referitoare la bazele genetice ale caracteristicilor umane.
"Multe dintre aceste proprietăţi pot fi acum calculate", spune Ceder. Scopul Materials Project, pentru următorii câţiva ani, este "numai să calculeze aceste proprietăţi pentru toţi compuşii cunoscuţi şi pentru câţiva dintre cei necunoscuţi". Cu această informaţie inginerii pot folosi un computer pentru a căuta mii de materiale pentru o aplicaţie anume, bazându-se pe proprietăţile ce sunt necesare.
De exemplu, Procter & Gamble i-a cerut lui Ceder şi colegilor lui să caute toate materialele posibile pentru un nou electrod la bateriile Duracell ale companiei. Echipa a putut să analizeze 130.000 de materiale reale sau ipotetice, detaliind o listă cu 200 care întruneau criteriile dorite şi care eventual puteau să se comporte mai bine decât materialele folosite în prezent. Altă companie a folosit sistemul pentru a descoperi un nou catalizator pentru a descompune apa în hidrogen şi oxigen; o a treia l-a folosit pentru a descoperi un nou material destinat a fi folosit la chip-urile de memorie a calculatoarelor.
Există speranţa că, într-un intervalul de 5 până la 10 ani, baza de date va conţine informaţii despre caracteristicile de bază ale tuturor compuşilor ce pot exista. Asta va necesita câteva miloane de ore-calculator în următorii câţiva ani", spune Ceder - ceea ce pare a fi foarte mult, dar este în fond un timp relativ mic comparativ cu unele sarcini de calcul intensiv, ca de exemplu modelarea climatică sau simularea exploziilor, spune el.
Aceasta, spune el, va permite oamenilor de ştiinţă ce studiază materialele moderne să progreseze de la ceva asemănător exploratorilor din secolul XVI - care încercau să afle câte ceva despre un continent fără hărţi şi busole - la călătorii de astăzi, înarmaţi cu device-urile lor GPS.
"Nu ne mai rătăcim", spune Ceder. Dar, ca şi cu hărţile, Materials Project nu-ţi spune încotro să mergi, iţi spune numai cum să ajungi acolo: "depinde în continuare numai de tine să decizi ce proprietăţi îţi trebuie".
Geoffroy Hautier, cercetător ştiinţific la Catholic University din Louvain în Belgia spune că: "maniera tradiţională de a dezvolta materiale este de multe ori foarte empirică şi se bazează mult pe întâmplare şi intuiţie". Dar cu Materials Project, pe care Hautier şi colegii l-au folosit pentru a descoperi un nou material, transparent şi conductor, “căutarea computerizată de înaltă performanţă pune la dispoziţie o accelerare extraordinară a întregului proces".
"Sunt sigur că vor exista aplicaţii la care nici nu ne-am gândit vreodată, deoarece nu am avut expertiza de a spune că o anume proprietate era importantă pentru o anume aplicaţie", adaugă Hautier.
Deja website-ul gratuit are peste 5000 de abonaţi, din care o treime lucrează în industrie. "În lumea ştiinţei materialelor acesta este un număr foarte mare", spune Ceder. Rezultatul net este că acum este posibil să dezvoltăm materiale pentru aplicaţii reale în numai doi ani, în comparaţie cu 15 la 20 de ani folosind metode tradiţionale. "Noi credem că intrăm într-o epocă de aur a proiectării de materiale", spune el.
Traducere de Marian Stănică după materials-database-proves-its-mettle-with-new-discoveries.
