权力理论

工程师Chris Wolverton利用计算来改进用于能量储存和转换的材料

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一个被称为“最小生成树”的网络图显示了开放量子材料数据库在2014年推出时的数千个预测表格化合物。自这幅图像完成以来,预测的化合物数量已经增加到超过55000种。Chris Wolverton的研究小组创建了这个数据库,以减少设计新材料时的一些猜测。

机器正在改变工程师对材料的看法。使用强大的计算,克里斯Wolverton,杰罗姆B.麦考克斯工程学院的科恩教授,可以在几小时或几天内实现,曾经在物理实验室中可能是不可能的。在西北,Wolverton领导了一个研究组,研究了计算工具的应用预测和优化了材料的性质,有助于解决能量存储和转换挑战。螺旋与国际纳米技术附属研究员国际研究院谈到了他的材料建模,如何在研究中使用,以及对刺激未来创新的巨大影响。

螺旋:什么是计算材料科学?
CW:我们没有实验室。这些想法是这些计算技术最终连接材料 - 化学成分和原子或晶体结构 - 具有材料的性质。所以给出了材料(真人或假设的),化学成分和原子的排列,我们可以计算该材料的性质应该是什么。

几年前,我们想知道我们是否可以对所有已知的无机固体进行计算,并将它们存储在一个大型数据库中。根据你的定义,已知的无机固体在5万到15万之间;问题是,你能做很多基于基本物理的计算吗,量子力学的计算?答案是肯定的。但这需要很长时间。我们几年前就开始了这个过程,现在我们有了这个大规模的档案,我们称之为开放量子材料数据库(OQMD.)。因为计算是基础的,因此具有很高的预测性,这意味着我们可以计算出一种材料的属性,而这种材料是否在实验室里合成并不重要。

你在找什么样的材料?
CW:我们对与能源和可持续性有关的材料问题非常感兴趣。我的很多小组的工作试图找到下一代电池的材料。热电材料有趣,因为它们可以将热量变成电力,反之亦然。在这方面有很多有趣的工作,试图使用这些材料来捕获废物。如果我们可以捕捉世界的一小部分浪费并使用它来产生电力,这将是能效的奇妙提高。

你能谈谈你与IIN主任Chad Mirkin的合作吗?
连续波:墨金集团他们有很棒的新工具来培养巨大的纳米颗粒库,他们尤其感兴趣的是当你培养这些由大量不同元素组成的纳米颗粒时会发生什么。所以不仅仅是单一的元素,不仅仅是银,铂金或者别的什么。但是,当你把铂、银、铜和钴一起制成纳米粒子时会发生什么呢?他发现这些纳米粒子倾向于分离成不同的相或化合物。查看我们的数据库,在很大程度上,我们可以准确地预测这些纳米颗粒中应该形成哪些相。在这一点上,我们做的这些计算大多是回溯性的,当米尔金的小组增加了一个给定组成的粒子并说“这就是我们发现的。”然后我们去数据库说:“是的,我们可以告诉你的。”

这个想法是现在你有一个实际预测的工具。因此,您可以通过这些元素的千万可能组合开始扫描此数据库,并查找可能形成您可能觉得可取的阶段的组合。

Mirkin和我之间的合作将是一个非常强大的组合——计算,然后实验——因为我的实验室可以以“高吞吐量”的方式进行这些计算,进行数万甚至数十万次计算。类似地,米尔金团队可以培育出大量的纳米颗粒——数千或数百万个。这两种方法的结合可能会改变游戏规则,并显著加快我们发现新材料的速度。

螺旋:鉴于这种合作,未来可能会举行什么?
CW:故事的不同部分更容易或更难处理。OQMD已存在。它是免费的,它在线,它是开放的。您现在可以在六组分化学成分中键入六分之一的化学成分,并在几秒钟内学习,阶段应该形成什么阶段。问题的其他部分正在进行中。计算阶段之间的界面特性和颗粒中相的最终排列。我们还没有一个界面能量的巨大数据库,所以我们不能只是查找答案。我们必须进行计算,那些可能需要一段时间。

我们已经开发了预测纳米粒子的新的计算框架,现在我们需要数据。一旦我们有了数据,我们就可以相对快速地进行计算。这个问题的一部分我们可以马上解决因为我们和米尔金的合作。现在要做的就是苦读和计算。这需要一段时间,但绝对值得。

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