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Produzione avanzata e nuovi materiali
I nuovi materiali sono componenti fondamentali delle tecnologie emergenti che promettono di essere importanti aree di crescita per l'economia, come l'energia solare meno costosa, le batterie delle auto elettriche che possono durare più a lungo tra una ricarica e l'altra, dispositivi elettronici portatili leggeri e dispositivi medici impiantabili per la medicina personalizzata. Ma il viaggio dal nuovo materiale al prodotto richiede in genere da uno a due decenni. Ciò è in gran parte dovuto al fatto che i nuovi materiali richiedono tecnologie di produzione avanzate che possono richiedere molti anni per essere sviluppate.
Materia prima: questo materiale, che potrebbe essere utilizzato nei catodi per le batterie agli ioni di litio, è stato scoperto attraverso uno screening computazionale. Le varie forme rappresentano diverse parti del composto, una miscela di litio, manganese, boro e ossigeno.
La Casa Bianca spera di dimezzare quel tempo investendo $ 100 milioni in un Iniziativa sul genoma dei materiali mirava a incoraggiare un uso più efficiente degli strumenti di modellazione computazionale che i ricercatori utilizzano per prevedere le proprietà di nuovi materiali. L'iniziativa, che fa parte della Casa Bianca Partnership di produzione avanzata , supporterà l'accesso aperto a questi modelli e database in tutta la comunità della scienza dei materiali nella speranza di collegare gli accademici con l'industria nelle prime fasi del processo di sviluppo.
Allo stato attuale, gli scienziati che lavorano con nuovi materiali non tengono conto dei problemi di produzione abbastanza presto, afferma Cyrus Wadia , vicedirettore per la ricerca e lo sviluppo di energia pulita e materiali presso l'Ufficio per la politica scientifica e tecnologica della Casa Bianca. Di conseguenza, la loro ricerca può condurli in un vicolo cieco. Il modo per cambiarlo, crede, è incoraggiare l'intera comunità della scienza dei materiali, dagli accademici ai produttori, a condividere dati e strumenti computazionali: il genoma dei materiali. Wadia dice che vuole che i ricercatori si chiedano: chi l'ha fatto prima, cosa hanno imparato e cosa può sopportare il mercato?
Gli scienziati dei materiali hanno utilizzato modelli predittivi con vari gradi di successo negli ultimi 20 anni, manipolando dati su proprietà come il punto di fusione, la conduttività o il modo in cui un composto reagisce con altri per prevedere se un materiale è adatto per una particolare applicazione come un elettrodo di batteria. I calcoli coinvolti sono molto complicati. Ma una volta che il codice per prevedere i candidati promettenti per una particolare applicazione è stato scritto, può essere applicato per testare il potenziale di qualsiasi materiale, afferma Gerbrand Ceder , un professore di scienza dei materiali al MIT specializzato nella modellazione computazionale di nuovi materiali per elettrodi per batterie. Sfortunatamente, non c'è stata alcuna infrastruttura per aiutare i ricercatori a condividere i propri dati e il codice utilizzato per elaborarli, e pochi modelli hanno preso in considerazione i problemi di produzione.
Il problema con il ridimensionamento e la produzione è che non capisci tutto, afferma Ceder. Se potessimo realizzare le cose esattamente come le abbiamo realizzate in laboratorio, non ci sarebbero problemi. Ma non funziona in questo modo. Piccole differenze nelle condizioni di produzione sono inevitabili quando si passa dalla produzione di grammi di un materiale alla produzione a tonnellate. E i materiali che escono dai laboratori accademici di oggi sono più difficili da realizzare rispetto ai materiali del passato. Molti materiali avanzati acquisiscono le loro straordinarie proprietà attraverso la precisione strutturale molecolare o addirittura atomica, e realizzarli non è come produrre, ad esempio, l'acciaio. Produci l'acciaio fondendo i metalli insieme in un'enorme vasca, dice re Alessandro , direttore dell'Ames National Laboratory in Iowa. Nella produzione di materiali avanzati, dice King, devi usare metodi più controllati, o gli atomi non faranno quello che vuoi. Le incoerenze nel controllo della temperatura, nella miscelazione o in altri fattori possono portare a guasti. E le tecniche utilizzate per ottenere una precisione su scala atomica in laboratorio possono essere difficili da tradurre in una produzione su larga scala.
Realizzare grandi lotti di un materiale complesso in modo coerente in una fabbrica richiede quasi sempre processi diversi da quelli utilizzati per realizzare piccoli lotti in laboratorio. Ciò significa più soldi, tempo e rischio. Ad esempio, supponiamo che un laboratorio di ricerca abbia realizzato celle solari funzionanti di un pollice quadrato il cui strato attivo viene creato stampando un inchiostro a nanoparticelle. La commercializzazione di tale tecnologia richiede che un'azienda sviluppi diverse tecniche di produzione. Per prima cosa deve capire come produrre le nanoparticelle in grandi lotti; quindi deve trovare un produttore di attrezzature per fornire una macchina personalizzata per stampare quegli inchiostri su metri quadrati o sviluppare quell'attrezzatura stessa. Ma potrebbe anche non arrivare a quella fase. E se, quando i ricercatori cercano di produrre un gran numero di queste celle solari, non riescono a disporre le nanoparticelle in modo coerente e le celle non funzionano? In qualsiasi momento, un difetto fatale potrebbe essere scoperto.
La Materials Genome Initiative mira a prevedere tali problemi di produzione e ad allontanare scienziati e ingegneri da essi nelle prime fasi della fase di sviluppo. I problemi relativi al passaggio dal banco di laboratorio alla fabbrica non sono niente di speciale, afferma Ceder. La sfida principale in questo momento è che i singoli gruppi e le aziende hanno sviluppato frammenti di codice e accumulato dati su materiali nuovi ed esistenti, ma non hanno modo di condividere queste informazioni. Depositano un brevetto, fanno pubblicare un articolo e si ferma qui. Il genoma dei materiali raccoglierà tutti questi dati in un database centrale.
La cultura accademica è più suscettibile alla condivisione dei dati rispetto alla cultura aziendale, ma Wadia, che ha parlato con i rappresentanti delle principali aziende di materiali di questa iniziativa negli ultimi anni, crede che anche i laboratori aziendali contribuiranno. In effetti, sarebbe difficile che un progetto del genere abbia successo senza di loro. Inizierà nelle tasche delle comunità, ma dobbiamo ottenere una massa critica perché funzioni, dice. Le aziende che producono materiali avanzati stanno già generando una grande quantità di dati attraverso il monitoraggio quotidiano delle operazioni di produzione e spera che condivideranno questo tipo di informazioni con la Materials Genome Initiative.
Riteniamo che un ruolo chiave che l'industria possa svolgere sia fornire la nostra prospettiva su come i materiali vengono utilizzati, progettati e valutati per le applicazioni dei prodotti industriali, afferma Christine Furstoss, direttore tecnico delle tecnologie di produzione e dei materiali presso GE Global Research . Utilizziamo un gran numero di materiali che vengono applicati in più settori e abbiamo un vivo interesse nell'aiutare a migliorare le prestazioni e la producibilità di tali materiali.
I primi 100 milioni di dollari saranno distribuiti tra quattro agenzie governative: il National Institute of Standards and Technology, il Department of Energy, la National Science Foundation e il Department of Defense. I rappresentanti della Casa Bianca non commenteranno quanti soldi andrebbero a ciascuna agenzia e per quali progetti specifici, ma l'enfasi, afferma Wadia, è sulla costruzione di infrastrutture computazionali. L'aspetto che dovrebbe avere quell'infrastruttura sarà analizzato nel corso del prossimo anno. I finanziamenti andranno anche a iniziative educative.
I nuovi materiali sono fattori chiave per la produzione, afferma Ceder. Se hai intenzione di aumentare la produzione negli Stati Uniti, non lo farai con le vecchie tecnologie.