Category: Cercetare

Învăţarea automatizată accelerează descoperirea de noi materiale

im1

Imagine luată din [1].

Recent, s-a demonstrat că o strategie de cercetare adaptativă bazată pe informatică şi strâns cuplată cu partea experimentală, poate accelera descoperirea de noi materiale cu proprietăți specifice, potrivit unui articol publicat în revista științifică Nature Communications [1].

“Ceea ce am făcut arată că, începând cu un set de date relativ mic de la experimente bine controlate, este posibil să ghidăm iterativ experimentele ulterioare spre găsirea materialului țintă”, a declarat Turab Lookman, fizician și cercetător în știința materialelor în grupul de Fizica Materiei Condensate și Sisteme Complexe de la Los Alamos National Laboratory. Lookman este cercetătorul principal al proiectului de cercetare.

“Găsirea de noi materiale a fost, în mod tradițional, ghidată de intuiție și de încercare-și-eroare (trial-and-error)”, a spus Lookman, conducătorul acestui proiect de cercetare. “Dar odată cu creșterea complexității chimice, posibilitățile de combinare devin prea multe pentru ca abordările de tip încercare-și-eroare să fie practice”.

Pentru a rezolva acestă problemă, Lookman împreună cu colegii săi de la Los Alamos și State Key Laboratory for Mechanical Behavior of Materials din China, au folosit machine learning pentru a accelera procesul. Ei au dezvoltat un model care utilizează inferenţa statistică pentru a ghida iterativ următoarele experimente care urmează să fie efectuate în căutarea unui aliaj cu memoria formei și cu disipare termică foarte mică. Astfel de aliaje sunt critice pentru îmbunătățirea rezistenței materialelor în aplicații de inginerie.

im2

Imagine luată din [1].

“Scopul este de a reduce la jumătate timpul și costul introducerii de noi materiale pe piață”, a spus Lookman. “Ceea ce am demonstrat este un model de învăţare automatizată (machine learning) bazat pe date, care poate duce la descoperirea de noi materiale cu proprietăți direcționate, mult mai rapid decât înainte”. Lucrarea a folosit resursele de supercomputing din cadrul Los Alamos.

Deși inițiativa Materials Genome, care a fost emisă de Oficiul pentru Știință și Tehnologie al Casei Albe în 2011, a catalizat interesul pentru descoperirea accelerată de materiale, acest studiu este unul dintre primele care demonstrează modul în care într-un cadru informatic se poate ajunge la descoperirea de noi materiale.

O mare parte din efortul depus în acest proiect s-a concentrat pe generarea și filtrarea bazelor de date formate prin rularea a mii de calcule de mecanică cuantică. Cu toate acestea, multitudinea de parametri cum ar fi cei chimici, structurali, defectele, soluțiile solide, non-stoechiometria și formarea de compuși cu mai multe componente, introduc o complexitate enormă la care instrumentele actuale nu au fost proiectate să facă față. Mai mult decât atât, puține studii computaționale includ feedback din experimente sau încorporează incertitudini.

Lookman și colegii săi s-au concentrat pe aliaje cu memoria formei pe bază de nichel și titan, dar strategia poate fi folosită pentru orice altă clasă de materiale (polimeri, materiale ceramice sau nanomateriale) sau proprietăți țintă (de exemplu, de răspuns dielectric, coeficienții piezoelectrici sau benzi interzise). Acest lucru devine important atunci când experimentele sau calculele sunt costisitoare și consumatoare de timp. Cu toate că activitatea s-a axat pe explorarea spațiului chimic, aceasta poate fi adaptată cu ușurință pentru a optimiza condițiile de procesare atunci când există mai multe “butoane de ajustare”, care controlează un sistem, în aplicații de fabricație avansate. În mod similar, aceasta poate fi generalizată pentru a optimiza proprietăți multiple, cum ar fi, în cazul aliajului pe bază de nichel-titan, disiparea termică scăzută și o temperatură de tranziție mult mai mare decât temperatura camerei.

Material adaptat după [2].

Referințe:

[1] Dezhen Xue et al, Accelerated search for materials with targeted properties by adaptive design, Nature Communications (2016). DOI: 10.1038/ncomms11241

[2] Los Alamos National Laboratory 

Advertisements

Informatica Materialelor

materials_informatics

Imagine luată din [1].

În 2005 a fost scris un articol în revista Materials Today [2] care introducea ideea că Informatica Materialelor ar trebui să fie considerată o sub-disciplină a științei și ingineriei materialelor, la fel cum Bioinformatica este în domeniul științelor vieții. Unul dintre punctele principale din acel articol este necesitatea de a evalua dacă avem un “ospăţ sau foamete de date”, în orice problemă de știința materialelor. Ideea că am putea avea un “ospăţ” sau o supra-abundență a datelor poate părea la început să fie un concept încurcat, dar se argumentează că  definirea cantitativă a ceea ce constituie date “suficiente” sau “corecte”, în orice problemă de știința materialelor este un  aspect critic al Informaticii Materialelor. Odată cu creșterea în popularitate a expresiilor cum ar fi “designul materialelor”, “ingineria materialelor integral computaţională” sau “genomul materialelor”, există sentimentul că informatica echivalează pur și simplu cu nevoia de mai multe date. Din această perspectivă, accentul activităților “informaticii”  înclină în mod invariabil către necesitatea de a colecta și de a genera mai multe date, abordarea problemelor legate de software și de gestionare a informațiilor pentru a organiza și interoga datele într-o formă digitală și distribuirea acestor date prin tehnologii informatice avansate. De aici, teme precum știința combinatorială a materialelor și screening-ul de cantități mari de date cuplate cu biblioteci digitale au înflorit într-o gamă largă de discipline orientate spre știința materialelor. În mod similar, a existat o creștere a eforturilor comunităţii științifice pentru materiale computaţionale, determinată în mare măsură de domeniul fizicii materiei condensate, profitând de instrumente și algoritmi de calcul pentru a genera matrici masive de rezultate care propun noi proprietăți ale materialelor.

Recunoscând în același timp că aceste eforturi sunt importante și necesare, trebuie subliniat faptul că acestea explorează doar un aspect al domeniului Informaticii Materialelor. Paradigma descoperirii de noi materiale bazată pe date trebuie să exploreze un spațiu al proprietăților cu mult mai multe dimensiuni care să include aspecte cum ar fi incertitudinea, asimetria, densitatea redusă de date, precum și diverse și numeroase forme de date, inclusiv numerice, textuale, conceptuale și imagistice. Integrarea tuturor acestor tipuri diferite și atribute ale datelor, împreună cu cantitatea lor, reprezinta Informatica Materialelor.

Dacă creșterea volumului de date este un criteriu important dar nu suficient pentru informatică, atunci spre ce direcție ar trebui să se îndrepte domeniul Informaticii Materialelor? Răspunsul la aceasta întrebare constă în valorificarea paradigmei “cantității mari de date” sau “Big Data”, unde cuvântul “mare” se referă la mărimea dimensionalității corelațiilor care trebuie explorate în analiza problemelor bazate pe date, din care volumul de date este doar un aspect. Comunitatea mai largă din știința informației a definit “Big Data“ ca fiind guvernată de patru metrici: volum, viteză, varietate și veridicitate. Cele “4V-uri” sunt nucleul informaticii și în prezent, eforturile cele mai mari din Informatica Materialelor sunt concentrate doar pe extinderea volumului de date în detrimentul celorlalte metrici.

Volumul de date este ușor de înțeles. Viteza de date se referă la exploatarea datelor achiziționate în timp real (de exemplu, datele din experimentele de dinamică). Varietatea datelor reprezintă faptul că datele iau multe forme în domeniul științei materialelor, care variază de la valori numerice discrete, descrieri calitative ale comportamentului materialelor și datele imagistice. Veridicitate recunoaște realitatea practică din domeniul științei materialelor și anume că avem o mulțime de date “lipsă” și datele pe care avem au incertitudine asociată cu ele. Cuantificarea aceastei incertitudini, știinţa completării datelor lipsă având la dispoziţie doar cunoștințe limitate, sunt obiective provocatoare dar  posibil de realizat atunci când sunt folosite judicios instrumentele de învățare statistică, căutare de tipare în date și analiză statistica a datelor cu principiile fizicii materialelor, chimiei și ingineriei. Chiar și cu date limitate, această abordare a fost folosită cu succes în descoperirea de noi materiale, identificarea unor noi parametri fizici care controlează relațiile structură-proprietate și dezvoltarea de mijloace rapide pentru generarea de date de referință. Aceasta este puterea Informaticii Materialelor.

În cele din urmă, trebuie reiterat faptul că scopul final pentru Informatica Materialelor  este de a descoperi noi cunoștințe. Creșterea volumului de date nu crește în mod necesar cunoașterea, un fapt bine cunoscut în știința informației dar și în alte domenii precum genomica și biotehnologia. De multe ori cunoșterea este ascunsă în date dar creșterea volumului de date fără a aborda celelalte V-uri agravează problema prin creșterea decalajului dintre cunoaștere și date. Poate exista un sentiment fals de securitate intelectuală fiind înconjurat de o mulțime de date. Informatica este știința modului de abordare a celor 4 V-uri ale “Big Data” simultan și integrarea constatărilor din aceste eforturi. Aici este locul unde instrumente cum ar fi machine learning cuplat cu statistica trebuie conectate în mod judicios la fundamentele științei materialelor, și anume teorie, modelare și experimente pentru a face din bazele de date un laborator pentru generarea de cunoştinţe noi și nu doar un depozit pentru găsirea unor informații cunoscute sau de așteptat. Informatica Materialelor este știința care formalizează utilizarea acestor instrumente și deține cheia pentru un viitor promițător și bogat pentru știința materialelor.

Material adaptat după [3].

Referințe:

[1] NSF 

[2] K. Rajan, Materials informatics. Mater. Today 8(10), 38-45 (2005); DOI: 10.1016/S1369-7021(05)71123-8

[3] K. Rajan, How do we go about harnessing the “Big Data” paradigm? Mater. Today 15(11), 470 (2012); DOI: 10.1016/S1369-7021(12)70204-3

Îți poți încărca telefonul în doar câteva secunde?

ws2

Imagine luată din [1].

O echipă de cercetători de la University of Central Florida (UCF) a dezvoltat un nou proces de creare a super-capacitorilor flexibili, care pot stoca mai multă energie și pot fi reîncărcați de mai mult de 30.000 de ori fără a se degrada.

Noua metodă dezvoltată de NanoScience Technology Center de la UCF ar putea revoluționa numeroase tehnologii, de la telefoanele mobile pâna la vehiculele electrice.

“Dacă bateriile ar fi înlocuite  cu acești super-capacitori, ţi-ai putea încărca telefonul mobil în câteva secunde și nu ar trebui reîncărcat din nou pentru mai mult de o săptămână”, a declarat Nitin Choudhary, care a efectuat o mare parte din studiul publicat recent in revista științifică ACS Nano [2].

Oricine are un smartphone cunoaște problema: dupa aproximativ 18 luni, o încărcare ține tot mai puțin timp pentru că bateria începe să se degradeze.

Oamenii de știință au studiat utilizarea nanomaterialelor pentru optimizarea super-capacitorilor care ar putea îmbunătăți sau chiar înlocui bateriile în dispozitivele electronice. Este o problemă complicată, pentru că un super-capacitor care ar putea stoca la fel de multă energie ca o baterie litiu-ion ar trebui să fie mult mai mare.

Echipa de la UCF a utilizat materiale bidimensionale, anume dicalcogenici ai metalelor de tranziție (cum este WS2), recent descoperite, de doar câțiva atomi grosime, la super-capacitori. Alți cercetători au încercat folosirea grafenei sau a altor materiale bidimensionale, dar cu succes limitat.

“Au existat probleme în modul în care se încorporează aceste materiale bidimensionale în sistemele existente, acesta fiind blocajul actual în domeniu. Am dezvoltat o metodă de sinteză chimică simplă, astfel încât să putem foarte ușor să combinăm materialele existente cu materialele bidimensionale”, a declarat cercetătorul principal Yeonwoong “Eric” Jung, profesor asistent afiliat la NanoScience Technology Center și la Materials Science & Engineering Department.

Echipa de cercetare condusă de Jung a dezvoltat super-capacitori compuși din milioane de fire, nanometrice în grosime, acoperite cu pelicule de materiale bidimensionale. Un miez foarte bun conductor care facilitează transferul rapid de electroni pentru încărcare și descărcare, este acoperit uniform cu o peliculă din material bidimensional pentru a crește densitate de energie și de putere.

“Oamenii de ştiinţă știau deja că materialele bidimensionale sunt foarte promițătoare pentru aplicații în stocarea energiei, dar până când UCF a dezvoltat procesul de integrare a acestor materiale, nu a existat nici o modalitate de a atinge acest potențial”, a spus Jung.

“În cazul dispozitivelor electronice de mici dimensiuni, materialele noastre le depășesc cu mult pe cele convenționale în ceea ce privește densitatea de energie, densitatea de putere și stabilitatea ciclică”, a spus Choudhary.

Stabilitatea ciclică măsoară de câte ori poate fi încărcată, descărcată și reîncărcată o baterie înainte de a începe să se degradeze. De exemplu, o baterie litiu-ion poate fi reîncărcată de mai puțin de 1.500 de ori fără pierderi semnificative. Super-capacitorii cu materiale bidimensionale pot fi reîncărcați de câteva mii de ori.

Prin comparație, noul proces creat la UCF produce un super-capacitor care nu se degradează, chiar și după ce a fost reîncărcat de 30.000 de ori. Jung lucrează acum cu biroul de transfer tehnologic de la UCF pentru a breveta noul proces.

Super-capacitorii care utilizează  noile materiale ar putea fi utilizați în telefoane și alte gadget-uri electronice, precum și în vehiculele electrice, care ar putea beneficia de un progres uriaș in ceea ce privește viteza și puterea. Mai mult decât atât, pentru că sunt flexibili, aceștia ar putea însemna un avans semnificativ în tehnologia hainelor și accesoriilor inteligente.

“Nu este gata pentru comercializare”, a spus Jung. “Dar aceasta este demonstrația că funcționează, iar studiile noastre arată că există un impact foarte mare pentru mai multe tehnologii.”

Material adaptat după [3].

Referințe:

[1] ScienceDaily

[2] N.Choudhary, C. Li, H.-S. Chung, J. Moore, J. Thomas, Y. Jung. High-Performance One-Body Core/Shell Nanowire Supercapacitor Enabled by Conformal Growth of Capacitive 2D WS2 Layers. ACS Nano, (2016). DOI: 10.1021/acsnano.6b06111

[3] University of Central Florida

Un nou semiconductor ultra subțire ar putea facilita continuarea legii lui Moore

inseImagine luată din [1].

În urma unui deceniu de cercetări intense în domeniul grafenei și materialelor bidimensionale, un nou material semiconductor ar putea reprezenta viitorul electronicii ultra rapide. Noul semiconductor denumit selenură de indiu (InSe) are o grosime de doar câțiva atomi, similar grafenei. Studiul a fost publicat în această saptamană în revista Nature Nanotechnology de catre cercetătorii de la Universitatea din Manchester și colegii lor de la Universitatea din Nottingham. Grafena are grosimea unui singur strat atomic și proprietăţi electronice ne-egalate pănă acum de alt material, ceea ce a condus la mediatizarea ei pe scară largă cu privire la potențiale aplicații în circuitele electronice viitoare. Cu toate că are aceste proprietăți remarcabile, grafena nu are o bandă interzisă. Din această cauză se comportă mai mult ca un metal, decât ca un semiconductor, diminuându-i astfel posibilitatea de a fi folosită în aplicațiile de tip tranzistor.

Conform acestui studiu recent, cristalele de InSe pot fi făcute de doar câțiva atomi grosime, apropiindu-se de grosimea grafenei. InSe are proprietăți electronice mai bune decât siliciul, care este dominant în electronica modernă. Foarte important, spre deosebire de grafenă dar similar cu siliciu, InSe ultra subțire are o bandă interzisă largă, permițând tranzistorilor din acest material să fie cu ușurință comutați între stările ‘on’ și ‘off’, determinand ca dispozitivele electronice din următoarea generație să fie foarte rapide. Prin combinarea grafenei cu alte materiale noi, care au individual caracteristici excelente, complementare proprietăților extraordinare ale grafenei, a dus la rezultate științifice interesante și ar putea produce aplicații dincolo de imaginația noastră.

Andre Geim, unul dintre autorii acestui studiu si cel care a primit Premiului Nobel în Fizică pentru cercetarea grafenei, consideră că noile descoperiri ar putea avea un impact semnificativ asupra dezvoltării electronicii viitoare. “InSe ultra subțire pare să ofere combinația perfectă între siliciu și grafenă. Similar cu grafena, InSe este un material subțire, permițând scalarea la dimensiuni nanometrice. Similar cu siliciul, InSe este un semiconductor foarte bun”. Cercetatorii din Manchester au întâmpinat o problemă majoră în crearea de dispozitive din selenură de indiu de înaltă calitate. Fiind atât de subțire, InSe este deteriorat rapid de oxigenul și de umiditatea prezente în atmosferă. Pentru a evita această deteriorare, dispozitivele au fost preparate într-o atmosferă de argon, cu ajutorul noilor tehnologii dezvoltate la National Graphene Institute. Acest lucru a permis prepararea pentru prima dată a straturilor subțiri de InSe de înaltă calitate. Mobilitatea electronilor la temperatura camerei (2000 cm2/Vs) este semnificativ mai mare decât a siliciului. Această valoare crește de mai multe ori, la temperaturi mai scăzute.

În experimentele actuale materialul a fost produs pe suprafețe de câțiva micrometrii (dimensiune comparabilă cu secțiunea transversală a unui fir de păr uman). Cercetatorii cred ca folosind metodele actuale utilizate pe scară largă pentru a produce foi de grafenă pe suprafațe mari, InSe ar putea  să fie produs în curând la nivel comercial.

Co-autor al lucrării, profesorul Vladimir Falko, director al National Graphene Institute (NGI) a spus: “Tehnologia pe care NGI a dezvoltat-o pentru separarea straturilor atomice în cristale bidimensionale de înaltă calitate,  oferă oportunități deosebite de a crea noi sisteme de materiale cu aplicatii în optoelectronică. Cautam în mod constant noi materiale stratificate pentru a încerca metodele noastre.”

InSe ultra subțire face parte dintr-o familie tot mai mare de cristale bidimensionale, care au în funcție de structura, grosimee și compoziție chimică, o varietate de proprietăți foarte utile. În prezent, cercetarea grafenei și materialelor bidimensionale este domeniul din știința materialelor care cunoaște cea mai rapidă creștere, conectand știința cu ingineria.

Acest material a fost adaptat din [2].

Referințe:

[1] D. A. Bandurin et al. High electron mobility, quantum Hall effect and anomalous optical response in atomically thin InSe, Nat. Nanotechnol. (2016). DOI: 10.1038/nnano.2016.242

[2] University of Manchester