Onderzoekers van de Universiteit van Texas in Austin onderzoeken hoe moleculaire simulaties met de nieuwste optimalisatiestrategieën een meer systematische manier kunnen creëren om nieuwe materialen te ontdekken die specifieke, gewenste eigenschappen.

Specifieker, ze deden dit door het ontwerpdoel te herschikken naar het microscopische, vragen welke interacties tussen samenstellende deeltjes ervoor kunnen zorgen dat ze spontaan "zelf-assembleren" tot een bulkmateriaal met een bepaalde eigenschap. Om het antwoord te vinden, meldde deze week in The Journal of Chemical Physics , ze besloten zich te concentreren op hoe composietdeeltjes zichzelf ruimtelijk organiseren.

"Onze technische inspiratie kwam uit een heel ander onderzoeksgebied:het modelleren en simuleren van biomoleculen, " zei Thomas Truskett, een professor in de McKetta Department of Chemical Engineering en co-auteur van het werk. "Experts op dat gebied hadden een reeks hulpmiddelen ontwikkeld voor het gebruik van moleculaire simulaties om te 'leren' welke interacties tussen vereenvoudigde modellen de voortreffelijke structurele eigenschappen van grote biomoleculen zouden kunnen reproduceren."

Ze erkenden dat deze modelleringsaanpak zou kunnen worden gebruikt om eenvoudigere interacties tussen deeltjes te identificeren die zich spontaan zouden assembleren tot de meer complexe structuren.

"Zelfassemblage is een fenomeen waarbij deeltjes, zoals atomen en moleculen, organiseren zich spontaan in complexe multidimensionale architecturen, " zei Truskett. "Het bevriezen van water - het kristalliseren ervan - is een alledaags voorbeeld, en de manier waarop watermoleculen zichzelf rangschikken onder voorgeschreven externe omstandigheden wordt bepaald door hun interacties of krachten."

Om de mogelijkheden voor zelfmontage uit te breiden, de groep onderzocht een andere klasse deeltjes genaamd "colloïden, " die meestal verwijzen naar grotere moleculen of nanodeeltjes die in een vloeistof zijn gesuspendeerd.

"[Colloïden zijn] interessant voor zelfassemblage en onderscheiden zich van hun kleinere atomaire en moleculaire neven omdat hun interacties zeer afstembaar zijn, " zei Ryan Jadrich, een postdoctoraal onderzoeker bij de McKetta Department of Chemical Engineering. "Door de interacties van colloïdale deeltjes zorgvuldig af te stemmen, we kunnen ongekende controle uitoefenen over de microscopische organisatorische details om de eigenschappen van bulkmateriaal sterk te beïnvloeden."

Forward design is al vele jaren de feitelijke benadering van technische zelfassemblage.

"In een zeer vereenvoudigde interpretatie, voorwaarts ontwerp komt neer op het fabriceren van deeltjes met nieuwe interacties en vervolgens controleren om te zien waar ze in samenkomen - hopelijk iets wenselijks, "Zei Truskett. "De fysieke intuïtie van onderzoekers kan helpen het proces van het realiseren van gewenste materialen te versnellen, maar deze aanpak is kostbaar vanuit een tijdsperspectief en vereist een zekere mate van geluk of hoge kosten."

omgekeerd ontwerp, waarop het werk van de groep zich richt, heel letterlijk probeert het probleem in omgekeerde richting.

"Menselijke onderzoekers doen waar ze goed in zijn:nieuwe en bruikbare deeltjesarchitecturen bedenken. En computers doen waar ze goed in zijn:complexe optimalisatieproblemen oplossen, ' zei Jadrich.

Volgens Trusket, een van de belangrijkste voordelen van de nieuwe omgekeerde ontwerpbenadering is dat het een zeer algemeen raamwerk biedt dat kan worden toegepast bij het richten op zelfassemblage van kristallijne of vloeibare materialen "on-the-fly".

"[De] methode 'leert' alles wat nodig is, aangezien de relevante gegevens op natuurlijke wijze voortkomen uit een iteratief, simulatie-gedreven raamwerk, "Hij zei. "Een interessant gevolg is dat er geen vooraf gecompileerde hulpdatabase met informatie nodig is - dergelijke gegevensopslagplaatsen waren een ongewenste voorwaarde voor eerdere benaderingen van het omgekeerde kristalontwerp."

Ze verzamelden op rekenkundige wijze enkele ronduit intrigerende deeltjesarchitecturen, waaronder een beschreven als "Zwitserse kaas."

"In dit geval, we ontdekten interacties die ertoe leidden dat deeltjes zichzelf assembleerden tot een matrix die bolvormige gaten omringt, a.k.a. poriën of holtes, "Zei Truskett. "Opmerkelijk, deze poriën gerangschikt in een kristallijne rangschikking, terwijl de kleinere 'echte' deeltjes in een ongeordende, vloeibare toestand die rond de poriën sijpelt."

Hoewel inverse design een relatief jong en actief onderzoeksgebied is, er wordt al vooruitgang geboekt in de richting van een algemeen en praktisch bruikbaar kader, volgens Jadrich, waar hun werk één opkomende strategie vertegenwoordigt. Inverse design maakt deel uit van een opkomende trend in wetenschappelijke disciplines, met behulp van computationele machine learning en statistische interferentie om ontdekking te versnellen.

"Omgekeerd ontwerp maakt de ontdekking van veel complexere materialen mogelijk, op computers, dan ooit tevoren, en dit is een trend die volgens ons zal doorzetten, "zei hij. "Dergelijke hulpmiddelen zullen menselijke onderzoekers niet snel vervangen, maar laat onderzoekers zich concentreren op andere, vaak interessantere taken die een creatief ontwerp vereisen. Het zwaartepunt van het werk, wat neerkomt op het plagen van subtiele details, patronen vinden, of het uitvoeren van complexe berekeningen, kan nu worden gedegradeerd tot automatisering."