211service.com
Navrhování struktur vyrobených z nanomateriálů
Vytváření složitých struktur z nanočástic nebo polymerů, ať už jde o fotonické výpočty nebo solární články, obvykle vyžaduje mnoho drahých a časově náročných pokusů a omylů v laboratoři. Teoretici doufají, že tento proces zjednoduší vývojem počítačových modelů, které budou generovat recepty, které vždy vyjdou správně, ale dosud byly ty, které vytvořili, příliš složité na to, aby je bylo možné realizovat v laboratoři. Nyní, v naději, že tyto algoritmy učiní užitečnými pro chemiky, počítačoví vědci z Microsoftu zjednodušili model, který vytváří receptury pro samosestavující materiály.
Balení částic: Algoritmy navržené výzkumníky Microsoftu předpovídají, jaké musí být síly mezi skupinou částic, aby se mohly samy sestavit do určité struktury, jako je například těsně zabalená krychle.
Nové modely Microsoftu, popsané tento týden v Proceedings of the National Academy of Sciences , jsou určeny k urychlení navrhování nových svépomocí montovaných konstrukcí. Pomocí pokusů a omylů použili vědci v oblasti materiálů nanočástice k vytvoření struktur na takzvaném mezoměřítku. Tato uspořádaná uspořádání nanočástic mohou mít pozoruhodné optické, elektrické a další vlastnosti, ale je obtížné je vytvořit. Teorie tam bolestně chybí, říká Mila Boncheva, vedoucí vědecká pracovnice ve Firmenich v Ženevě, která hrála důležitou roli v raném výzkumu tohoto druhu sebe-skládání na Harvardské univerzitě. To, co lidé v současnosti v designu dělají, je většinou pokus a omyl založený na zdravém rozumu. Teoretický model je zaměřen na pomoc materiálovým vědcům mnohem rychleji zjistit, jaké jsou správné materiály a podmínky pro vlastní montáž dané konstrukce.
Pokud máte na mysli formu nebo tvar, model vám řekne, jak to získat, říká Henry Cohn , hlavní výzkumný pracovník ve společnosti Výzkum společnosti Microsoft v Nové Anglii , který vedl práci s odborným asistentem matematiky MIT Abhinav Kumar . Vlastnosti materiálů strukturovaných na mezoměřítku jsou do značné míry určeny tím, jak jsou jednotlivé složky, ať už jde o polymery nebo nanočástice, vůči sobě uspořádány. Například stříbrné nanočástice plovoucí v roztoku odrážejí světlo odlišně v závislosti na tom, jak těsně jsou zabaleny – princip, který se používá k navrhování zařízení pro fotonické výpočty.
O tom, zda se částice sestaví do dané struktury, rozhodují síly mezi nimi. Elektrické náboje například hrají zvláště důležitou roli při určování, zda se dvě částice budou přitahovat nebo odpuzovat. Model společnosti Microsoft generuje mapu toho, jak silné tyto síly musí být. To znamená, že vzhledem k požadované struktuře, jaká by měla být potenciální energie mezi každou z částic a jejich sousedy? Tyto modely se nazývají potenciální funkce.
Je snadné navrhnout potenciální funkce [na počítači] a opravdu, opravdu těžké je generovat ve skutečnosti, říká George Whitesides , profesor chemie na Harvardské univerzitě a průkopník v self-assembly. Generování těchto sil vyžaduje zjistit, jaké modifikace částic – řekněme přidání více kladně nabitých skupin k polymerům – vytvoří vhodné síly mezi jednotlivými částicemi a povedou k sestavení požadované struktury.
Cohn říká, že cílem jeho práce je překlenout tuto propast mezi teorií a realitou. Předchozí verze těchto algoritmů generovaly velmi složité instrukce pro sestavení těchto struktur, které stanovily, že k sestavení struktury musí být splněno velmi velké množství parametrů. Pokud máte dovoleno vytvářet propracované potenciální funkce, můžete dělat komplikované věci a vytvářet úžasné materiály uvnitř počítače, říká. Nyní otázka pro teoretiky, říká Cohn, zní: Můžeme dosáhnout více pomocí jednodušších interakcí?
Vědci z Microsoftu a MIT udělali důležitý krok k tomuto zjednodušení, říká Salvatore Torquato , profesor chemie na Princetonském institutu pro vědu a technologii materiálů. Jejich modely vyžadují mnohem menší počet těchto vztahů mezi potenciálem a energií než ty předchozí. To znamená, že z velmi hypotetické k něčemu realističtějšímu, co lze vyrobit v laboratoři, říká Torquato. Sofistikovanost modelu Microsoftu pochází částečně ze zavedení myšlenek z teorie informace.
Dalším krokem je spolupráce s chemiky na vytvoření jedné z těchto předpokládaných struktur v laboratoři. Věřím, že věda o materiálech budoucnosti bude probíhat tímto způsobem, říká Torquato o počítačovém modelování. Whitesides věří, že teoretici si tuto budoucnost ještě zdaleka neuvědomují, protože stále není jasné, zda typy funkcí, které Cohn vyvíjí, lze vůbec použít k vytvoření samoskládajících se struktur, nebo zda se ukáže být užitečnější nějaký jiný teoretický přístup. . Ale práce na těchto typech algoritmů, říká Whitesides, stojí za to pokračovat, protože výsledný křik pomůže definovat, co je třeba udělat, aby byly užitečné.