Il database dei materiali dimostra il suo coraggio con nuove scoperte

Cercare di trovare nuovi materiali, per migliorare le prestazioni di qualsiasi cosa, dai microchip alle carrozzerie, è sempre stato un processo di tentativi ed errori. Lo scienziato dei materiali del MIT Gerbrand Ceder lo paragona alla partenza da Boston per la California, senza una mappa né un sistema di navigazione, ea piedi.

Ma, dice, dopo secoli di ricerca sui materiali alla vecchia maniera, è in corso una rivoluzione significativa, grazie a un enorme database computerizzato e un sistema di simulazione che può selezionare migliaia di potenziali materiali nel tempo che in precedenza avrebbe potuto impiegare per studiare solo uno. Il sistema si chiama Progetto Materiali; sebbene abbia solo circa tre anni, ha già prodotto nuove scoperte significative.

Esempi di materiali scoperti attraverso una nuova tecnica: i composti contenenti litio chiamati sidorenkite sono stati identificati come potenziali materiali catodici delle batterie attraverso un'esplorazione computazionale ad alto rendimento. In natura non esistono materiali contenenti litio con i gruppi chimici CO3 e PO4 presenti in questi composti: questi materiali sono completamente sintetici e inaspettati. A seconda del metallo specifico in essi contenuto, assumono colori distinti (mostrati qui). Foto per gentile concessione dei ricercatori.

Ad esempio, i ricercatori che utilizzano gli strumenti online del Materials Project hanno trovato tipi completamente nuovi di materiali conduttori trasparenti - una classe cruciale per i dispositivi con touch screen, come gli smartphone - che non esistono in natura e la cui esistenza non era stata prevista. Altri hanno utilizzato il sistema per trovare nuovi materiali che potrebbero trovare impiego negli elettrodi delle batterie e nei semiconduttori.

Ci sono un totale di circa 35.000 composti inorganici conosciuti, dice Ceder; quasi tutti sono inclusi nel database del Materials Project. I dati includono anche migliaia di composti sconosciuti che non esistono in natura e non sono ancora stati sintetizzati in laboratorio, ma le cui caratteristiche di base possono essere previste utilizzando calcoli complessi basati sulla teoria della meccanica quantistica. La visione è quella di creare un compendio delle caratteristiche dei materiali: conducibilità elettrica, struttura cristallina, durezza, stabilità e così via.

Ceder e colleghi del MIT e del Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) hanno descritto questo nuovo approccio, che chiamano progettazione di materiali computazionali ad alto rendimento, in recenti articoli su Scientific American e APL Materials. Il loro lavoro ha ispirato la Casa Bianca a lanciare uno sforzo nazionale, ora chiamato Materials Genome Initiative (il nome iniziale del progetto guidato da MIT e LBNL), per diffondere il nuovo approccio alle istituzioni in tutto il paese.

Sappiamo molto poco del mondo dei composti chimici che ci circonda, afferma Ceder, professore di scienza e ingegneria dei materiali di Richard P. Simmons. Se scegli un composto casuale tra quelli che conosciamo e chiedi: 'Quanto è difficile? È un buon conduttore? Che colore ha? È rigido?' - non sapresti la risposta. Una stima approssimativa, dice, è che conosciamo meno dell'1% delle proprietà dei composti che ci circondano.

E questo è solo il conteggio delle proprietà di base, afferma Ceder: La conoscenza è ancora più scarsa quando si tratta di comportamento ingegneristico: la conoscenza più dettagliata, come la durata sotto stress o la suscettibilità alla corrosione, necessaria per scegliere un materiale per un'applicazione specifica. Il piano per costruire un database completo delle proprietà dei materiali, dice, pone le basi, proprio come il Progetto Genoma Umano ha stabilito una conoscenza di base sulle basi genetiche delle caratteristiche umane.

Molte di queste proprietà ora possono essere calcolate, dice Ceder. L'obiettivo del Materials Project, nei prossimi anni, è quello di calcolare queste proprietà solo per tutti i composti conosciuti e per alcuni sconosciuti. Con queste informazioni, gli ingegneri potrebbero utilizzare un computer per vagliare migliaia di materiali per una particolare applicazione, in base alle proprietà specifiche necessarie.

Ad esempio, Procter & Gamble ha chiesto a Ceder e ai suoi colleghi di esaminare tutti i materiali possibili per un nuovo elettrodo per le batterie Duracell dell'azienda. Il team è stato in grado di esaminare 130.000 composti reali o ipotetici, elaborando un elenco di 200 che soddisfacevano i criteri desiderati e che avevano il potenziale per prestazioni migliori rispetto ai materiali ora utilizzati. Un'altra azienda ha utilizzato il sistema per scoprire un nuovo catalizzatore per scindere l'acqua in idrogeno e ossigeno; un terzo lo ha utilizzato per trovare un nuovo materiale da utilizzare nei chip di memoria del computer.

La speranza è che entro 5-10 anni il database conterrà informazioni sulle proprietà di base di tutti i composti che possono esistere. Ciò richiederà alcuni milioni di ore di CPU nei prossimi anni, afferma Ceder, che sembra molto, ma in realtà è una quantità relativamente piccola rispetto ad alcune attività computazionalmente intensive come la modellazione del clima o la simulazione di esplosioni, afferma.

Questo, dice, consentirebbe ai moderni scienziati dei materiali di passare da qualcosa di simile agli esploratori del XVI secolo, che cercano di conoscere un continente senza mappe o bussole, ai viaggiatori di oggi, con i loro dispositivi GPS.

Non ci perdiamo più, dice Ceder. Ma come per le mappe, il Materials Project non ti dice dove andare, ti dice solo come arrivarci: sta ancora a te decidere di quali proprietà hai bisogno.

Geoffroy Hautier, ricercatore presso l'Università Cattolica di Lovanio in Belgio, afferma: Il modo tradizionale di sviluppare i materiali è spesso molto empirico e si basa molto sulla serendipità e sull'intuizione. Ma con il Materials Project, che Hautier e colleghi hanno utilizzato per scoprire nuovi materiali trasparenti e conduttivi, l'elaborazione ad alto rendimento fornisce un'enorme accelerazione all'intero processo.

Sono sicuro che ci saranno applicazioni a cui non abbiamo mai pensato perché non avevamo le competenze per dire che questa specifica proprietà era importante per questa specifica applicazione, aggiunge Hautier.

Il sito web gratuito ha già 5.000 abbonati, di cui circa un terzo nel settore. Nel mondo della scienza dei materiali, questo è un numero molto grande, dice Ceder. Il risultato netto è che ora è possibile sviluppare materiali per applicazioni reali in appena due anni, rispetto ai 15-20 anni con i metodi tradizionali. Crediamo che stiamo entrando in un'età d'oro del design dei materiali, dice.

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