De traditionele trial-and-error-methode in materiaalonderzoek kan niet voldoen aan de groeiende vraag naar verschillende hoogwaardige materialen, dus het ontwikkelen van een nieuw effectief paradigma van materiaalwetenschap is uiterst urgent. Een studie onder leiding van Dr. Xiao-Ming Jiang en Prof. Guo-Cong Guo (Fujian Institute of Research on the Structure of Matter, Chinese Academy of Sciences) stelt een nieuw onderzoeksparadigma voor materiaalstudies voor op basis van het concept "functioneel motief".

Functioneel motief werd gedefinieerd als de kritische microstructuureenheden (bijvoorbeeld samenstellende componenten en bouwstenen) die een beslissende rol spelen bij het genereren van bepaalde materiële functies. Deze eenheden kunnen niet worden vervangen door andere structuureenheden zonder de relevante functies te verliezen of aanzienlijk te onderdrukken. Het functionele motiefparadigma begint met de belangrijkste aspecten van microscopische structuren en de eigenschappen van materialen. Op basis van dit begrip kunnen de functionele motieven die de materiaaleigenschappen bepalen, worden geëxtraheerd en de kwantitatieve relaties daartussen worden onderzocht, en de resultaten kunnen verder worden ontwikkeld als de 'functionele motieftheorie'. Dit laatste zou nuttig moeten zijn als richtlijn voor het maken van nieuwe materialen en als hulpmiddel voor het voorspellen van de fysisch-chemische eigenschappen van materialen.

De eigenschappen van materialen worden bepaald door hun functionele motieven en hoe ze in de materialen zijn gerangschikt, waarbij de laatste de kwantitatieve structuur-eigenschapsrelaties bepaalt. Het blootleggen van de functionele motieven en hun rangschikkingen is cruciaal voor het begrijpen van de eigenschappen van materialen, en de verkenning van functionele motieven maakt het rationele ontwerp van nieuwe materialen met gewenste eigenschappen mogelijk.

Gezien het belang van microscopische structuren in het functionele motiefparadigma, is het noodzakelijk om materiële structuren volledig te begrijpen. De hiërarchie van materiële structuur omvat informatie die meerdere lengte- en tijdschalen overschrijdt. Jiang X-M et al. classificeren de materiële structuren in macroscopische, mesoscopische en microscopische structuren en classificeren microscopische structuren verder in zes typen. d.w.z. de kristal-, magnetische, aperiodische, defecte, lokale en elektronische structuren. Voor elk type microscopische structuur presenteren Jiang X-M et al de rol van functionele motieven en hun rangschikkingen bij het bepalen van eigenschappen met representatieve functionele materialen.

Jiang X-M et al. nemen Infrarood (IR) NLO-materialen als voorbeeld om de functiegerichte ontwerpstrategie van nieuwe functionele materialen te introduceren, waarbij de rol van functionele motieven van materialen wordt benadrukt in het ontwerp van materialen. Deze strategie verschilt van de traditionele structuurgerichte ontwerpstrategie.

Jiang X-M et al. bespreken ook de belangrijke rol van experimenten en berekeningen met hoge doorvoer in materiaalstudies en de uitdagingen voor het extraheren van functionele motieven uit een enorme hoeveelheid gegevens over materiaalstructuren en eigenschappen. Machine learning zal naar verwachting nuttig zijn voor het efficiënt voorspellen van materiaaleigenschappen en screeningmaterialen met gewenste eigenschappen. Voor het ontwerp van nieuwe materialen is het ontwikkelen van voldoende betrouwbare materiaalstructuren en eigendomsdatabases en nieuwe effectieve methoden voor het extraheren van functionele motieven en structuur-eigenschapsrelaties van materialen uit machine learning-modellen absoluut noodzakelijk.

Het onderzoek is gepubliceerd in National Science Review . + Verder verkennen

Onderzoeksteam ontwikkelt nieuwe strategie voor het ontwerpen van thermo-elektrische materialen