Zoeken naar loodmaterialen met specifieke eigenschappen, onderzoekers hebben een workflow ontwikkeld die kunstmatige intelligentie bevat om de ontdekking van een nieuwe keramische structuur met een bijzonder lage thermische geleidbaarheid te begeleiden. Zoals ze uitleggen in het tijdschrift Angewandte Chemie , het materiaal heeft een ongewone quasikristallijne structuur, mogelijk de weg vrijmaakt voor nieuwe warmte-isolerende en thermo-elektrische materialen.

Keramiek met een lage thermische geleidbaarheid wordt voortdurend gezocht voor hittebeschermende coatings of thermo-elektrische toepassingen. Met andere woorden, voor het opwekken van stroom uit warmte. Matthew J. Rosseinsky van de Universiteit van Liverpool, VK, en zijn collega's, namen bij deze zoektocht de chemische groep van de titanaten als uitgangspunt. Op basis van energieberekeningen, ze concentreerden hun zoektocht op titanaten die fracties van yttrium en bariumoxiden bevatten.

Om kandidaten te verfijnen met samenstellingen die een materiaal zouden opleveren met mogelijk nog lagere thermische geleidbaarheid, de onderzoekers wendden zich tot kunstmatige intelligentie, machine learning-modellen trainen met keramiek van bekende samenstelling en bekende thermische geleidbaarheid. De modellen bevestigden hun oorspronkelijke op kennis gebaseerde beslissing om zich te beperken tot barium-yttriumtitanaten.

De AI-resultaten toonden ook aan dat de samenstelling een verdere impact kan hebben op de thermische geleidbaarheid. "Dit bracht ons ertoe de voorkeur te geven aan een van de twee samenstellingsregio's die werden geïdentificeerd door de energieberekeningen voor experimenteel werk, " zegt Rosseinsky. Dus, de onderzoekers synthetiseerden een nieuw oxide, nog onbekend, samengesteld uit tien delen barium, zes delen yttrium, vier delen titanium, en 27 delen zuurstofatomen.

Het nieuwe materiaal bleek metastabiel te zijn, en de structuur ervan bleek bijzonder verrassend te zijn. In "normale" kristallen, atomen zijn periodiek gerangschikt. Echter, in het nieuwe materiaal observeerde het team een ​​"quasikristallijne" structuur. Quasikristallen hebben een geordende rangschikking van atomen, maar niet volledige driedimensionale periodiciteit. Alleen wanneer quasikristallen worden beschouwd in termen van "langeafstandsorde" kan de continue periodiciteit die typisch is voor kristallen worden herkend. Het team benadrukte het belang van deze bevindingen:"Oxide quasikristallen zijn waargenomen op grensvlakken, echter, het hier gepresenteerde materiaal is het eerste dat is voorgesteld als een quasikristal in de bulk."

Het nieuwe titanaat bleek een lagere thermische geleidbaarheid te hebben dan bijna alle andere bekende overgangsmetaaloxiden van dit type, met slechts één molybdeenoxide met een complexe kristalstructuur die betere resultaten geeft. De auteurs verklaarden ook de thermische geleidbaarheid van hun materiaal in theoretische termen, het gedrag van het quasikristal vergelijken met dat van glas. Brillen hebben een ongeordende materiaalstructuur, en staan ​​bekend als goede thermische isolatoren.

Het team benadrukte de rol van het inzetten van een geïntegreerde set tools, gebaseerd op kennis en begrip van chemie, en het opnemen van machine learning-modellen. "Onze studie laat zien hoe AI kan helpen bij de besluitvorming om ontdekking te versnellen, ' zegt Rosseinsky.