Door computerautomatisering te koppelen aan een inkjetprinter die oorspronkelijk werd gebruikt om T-shirtontwerpen af ​​te drukken, onderzoekers van Caltech en Google hebben een high-throughput-methode ontwikkeld om nieuwe materialen met interessante eigenschappen te identificeren. Bij het proefdraaien van het proces ze screenden honderdduizenden mogelijke nieuwe materialen en ontdekten er een gemaakt van kobalt, tantaal, en tin dat afstembare transparantie heeft en fungeert als een goede katalysator voor chemische reacties, terwijl het stabiel blijft in sterk zure elektrolyten.

De moeite, beschreven in een wetenschappelijk artikel gepubliceerd in Proceedings van de National Academy of Sciences ( PNAS ), werd geleid door John Gregoire en Joel Haber van Caltech, en Lusann Yang van Google. Het bouwt voort op onderzoek uitgevoerd door het Joint Centre for Artificial Photosynthesis (JCAP), een Department of Energy (DOE) Energy Innovation Hub bij Caltech, en gaat verder met de opvolger van JCAP, de Liquid Sunlight Alliance (LiSA), een door DOE gefinancierde inspanning die tot doel heeft de ingewikkelde stappen te stroomlijnen die nodig zijn om zonlicht om te zetten in brandstoffen, om dat proces efficiënter te maken.

Het maken van nieuwe materialen is niet zo eenvoudig als een paar verschillende elementen in een reageerbuis laten vallen en deze door elkaar schudden om te zien wat er gebeurt. Je hebt de elementen die je combineert nodig om op atomair niveau met elkaar te verbinden om iets nieuws en anders te creëren in plaats van alleen een heterogene mix van ingrediënten. Met een bijna oneindig aantal mogelijke combinaties van de verschillende vierkanten op het periodiek systeem, de uitdaging is om te weten welke combinaties zo'n materiaal opleveren.

"Het ontdekken van materialen kan een somber proces zijn. Als je niet kunt voorspellen waar je de gewenste eigenschappen kunt vinden, je zou je hele carrière kunnen besteden aan het mixen van willekeurige elementen en nooit iets interessants vinden, " zegt Grégoire, onderzoekshoogleraar toegepaste natuurkunde en materiaalkunde, onderzoeker bij JCAP, en LiSA-teamleider.

Bij het combineren van een klein aantal afzonderlijke elementen, materiaalwetenschappers kunnen vaak voorspellingen doen over welke eigenschappen een nieuw materiaal zou kunnen hebben op basis van de samenstellende delen. Echter, dat proces wordt al snel onhoudbaar als er ingewikkelder mengsels worden gemaakt.

"Alles meer dan twee elementen wordt in de materiaalkunde als 'hoogdimensionaal' beschouwd, "zegt Gregoire. "De meeste of alle één- en twee-metaaloxiden zijn al bekend, "zegt hij. "De onbekende grens is drie of meer samen." (Metaaloxiden zijn vaste materialen die positief geladen metaalionen bevatten, of kationen, en negatief geladen zuurstofionen, of anionen; Roest, bijvoorbeeld, is ijzeroxide.)

De meeste materialen in de aardkorst zijn metaaloxiden, omdat de zuurstof in de atmosfeer reageert met verschillende metalen in de aardkorst. De milieustabiliteit van metaaloxiden maakt ze praktisch bruikbaar, op voorwaarde dat specifieke samenstellingen van dergelijke oxiden kunnen worden geïdentificeerd die de mechanische, optisch, elektronisch, en chemische eigenschappen die nodig zijn voor een bepaalde technologie.

Hoewel materiaalwetenschappers hebben aangetoond hoe al deze eigenschappen kunnen worden afgestemd door het gebruik van verschillende metaaloxiden, het bereiken van de noodzakelijke eigenschappen voor een bepaalde toepassing kan specifieke combinaties van meerdere elementen vereisen, en het vinden van de juiste is een enorme uitdaging.

Om de grens van drie of meer metaaloxiden te doorbreken, De groep van Gregoire putte uit tien jaar werk van JCAP. Daar, onderzoekers hebben methoden ontwikkeld om 100, 000 materialen per dag. Eén zo'n materiaal - ontdekt in dit onderzoek - werd geproduceerd door hergebruikte inkjetprinters te gebruiken om nieuwe materialen op glasplaten te "printen". Elke combinatie van elementen werd afgedrukt als een lijn met een gradatie van de verhouding tussen de bestanddelen en vervolgens geoxideerd bij hoge temperatuur.

Elk van die materialen werd vervolgens gescand en afgebeeld bij Caltech met behulp van een hyperspectrale beeldvormingstechniek die samen met Google is ontwikkeld en die snel informatie over het materiaal kan vastleggen door vast te leggen hoeveel licht het absorbeert bij negen verschillende golflengten. "Het is geen uitgebreide analyse van het materiaal, maar het is snel en biedt aanwijzingen voor de composities met interessante eigenschappen, " zegt Haber, onderzoekschemicus en materiaalingenieur bij JCAP en LiSA.

In alles, het Caltech-team creëerde 376, 752 combinaties van drie metaaloxiden op basis van 10 metaalelementen en produceerden 10 verschillende keren monsters van elke afzonderlijke combinatie om eventuele gebreken in het syntheseproces op te sporen en te verwijderen. "De druk kan artefacten bevatten, dat is het offer dat je maakt voor snelheid. Analyses door Google leerden ons om alles 10 keer te maken om vertrouwen op te bouwen in de resultaten, ' zegt Grégoire.

Hoewel onvolmaakt, het proces creëert drie-metalen materialen ongeveer 1, 000 keer sneller dan traditionele technieken zoals dampdepositie, waarbij het nieuwe materiaal op een substraat wordt gecoat door het uit een damp te condenseren.

Computeringenieurs van Google creëerden vervolgens algoritmen om de hyperspectrale beelden te verwerken en zochten naar specifieke composities waarvan de optische eigenschappen alleen kunnen worden verklaard door chemische interacties tussen de drie metaalelementen.

"Als de drie elementen chemisch interageren om uitzonderlijke optische eigenschappen te bieden, hun interacties kunnen ook aanleiding geven tot andere uitzonderlijke eigenschappen, " legt Gregoire uit. Omdat de techniek de kleine fractie van composities kan identificeren die bewijs van deze chemische interacties vertonen, het verkleint ook de hooiberg voor materiaalwetenschappers die op zoek zijn naar naalden, bij wijze van spreken.

"Johns lab had het soort probleem waar we van dromen bij Google Applied Science:hij kan honderdduizenden monsters per dag afdrukken, resulterend in terabytes aan beeldgegevens, ", zegt Google-onderzoeker Lusann Yang. "We waren verheugd om nauw met hem samen te werken bij elke stap van deze zesjarige samenwerking, plaatsen vinden om de unieke toolkit van Google voor iteratieve experimenten toe te passen op grote hoeveelheden lawaaierige gegevens:experimenten ontwerpen, hardware debuggen, verwerken van grote hoeveelheden beeldgegevens, en het creëren van op fysica geïnspireerde algoritmen. Het resultaat is een experimentele dataset van unieke breedte in vele chemische ruimtes die ik met trots open source ben."

Om hun bevindingen te valideren, Het team van Gregoire bij Caltech heeft de als "interessant" gemarkeerde materialen opnieuw gemaakt met behulp van fysieke dampafzetting en geanalyseerd met behulp van röntgendiffractie, een langzamer maar grondiger proces dan hyperspectrale beeldvorming. Dit type validatie onthulde dat het geautomatiseerde high-throughput-proces meer bedreven was in het ontdekken van nieuwe materialen dan een grondige analyse van de hyperspectrale gegevens door een menselijke wetenschapper.

De PNAS paper is getiteld "Ontdekking van complexe oxiden via geautomatiseerde experimenten en data Science."