De meeste van onze dagelijkse goederen, zoals kunststoffen, legeringen en bewerkte voedingsmiddelen, worden geleverd als vaste stoffen, en ze worden vaak verwerkt door een gecontroleerd koelproces van een vloeibaar mengsel tot een vaste stof. vloeibare kristallen, oplossingen, polymeren, en biomaterialen vormen een grote verscheidenheid aan structurele patronen die voortkomen uit verschillen in de koelprocessen. Deze patronen bieden een diversiteit aan functies, en kunnen de eigenschappen van vaste producten aanzienlijk beïnvloeden. Om deze reden, begrijpen hoe het koelproces verloopt en hoe het kan worden gecontroleerd, is belangrijk in diverse onderzoeksgebieden zoals natuurkunde, biologie, materiaal kunde, en techniek.

Vaak, de vorming van een vaste stof in een koelproces wordt gestart met de vorming van nanostructuren, waarvoor de klassieke nucleatietheorie (CNT) een eenvoudige verklaring heeft gegeven. Echter, CNT kan enkele belangrijke fysische eigenschappen, zoals de snelheid van nanostructuurvorming, niet kwantitatief verklaren. Moleculaire simulaties zijn veelbelovende middelen als technologie die de observatie van microscopische bewegingen van individuele moleculen mogelijk maakt, het aantal nanostructuren tellen, en kwantificeer hoe ze toenemen. Echter, er zijn veel soorten nanostructuren die moeilijk waar te nemen zijn met alleen moleculaire simulaties, en combinaties van moleculaire simulaties met andere geavanceerde technologieën worden overwogen om deze moeilijkheid te overwinnen. Bijvoorbeeld, het bestaan ​​van karakteristieke nanostructuren in vloeibare kristallen tijdens het koelproces is voorspeld op basis van röntgenverstrooiingsexperimenten. de details van dergelijke nanostructuren konden niet alleen worden onthuld door moleculaire simulaties en zijn een open vraag gebleven. Het is dus zeer gewenst om computertechnologieën te ontwikkelen die nieuwe analysemethoden bieden voor de identificatie van nanostructuren met een hoge nauwkeurigheid, het ontwerp van innovatieve materialen te vergemakkelijken.

Een van de doelen van het "Ultra High-Throughput Design and Prototyping Technology for Ultra Advanced Materials Development Project" van de New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO) is het versnellen van de ontwikkeling van organische en polymere functionele materialen door de drie-eenheid van computationele wetenschap, procestechnologie, en meettechniek. Als onderdeel van dit project, Dr. Kazuaki Z. Takahashi, Senior onderzoeker van het Research Center for Computational Design of Advanced Functional Materials (CD-FMat), Nationaal Instituut voor geavanceerde industriële wetenschap en technologie (AIST), Dr. Takeshi Aoyagi, Hoofdonderzoeksmanager van CD-FMat, AIST, en Dr. Jun-ichi Fukuda, Hoogleraar Departement Natuurkunde, Wetenschapsfaculteit, Kyushu-universiteit, hebben de technologieën ontwikkeld die gericht zijn op de beheersing van materiële structuren, met bijzondere aandacht voor nanostructurering als uitgangspunt. Hun studie richt zich op het koelproces van vloeibare kristallen, typische organische en polymere functionele materialen.

Ze hebben een nieuwe analysemethode ontwikkeld die moleculaire simulatie en kunstmatige intelligentie (AI) combineert om het proces van de vorming van karakteristieke nanostructuren in uitgedoofde vloeibare kristallen te observeren. Ze ontdekten een proces van nanostructurering in drie stappen dat niet kan worden verklaard door de klassieke nucleatietheorie, en verduidelijkte ook het mechanisme ervan.

De onderzoeksresultaten zijn gepubliceerd in een Brits interdisciplinair wetenschappelijk tijdschrift Natuurcommunicatie op 6 sept. 2021.