Google sviluppa una tecnologia per scoprire materiali “potenzialmente utili”
Il processo funziona combinando l’automazione con una stampante a getto d’inchiostro originariamente utilizzata per stampare i disegni delle magliette.
I ricercatori di Caltech e Google hanno sviluppato un metodo ad alto rendimento per identificare nuovi materiali con proprietà interessanti. Il processo funziona combinando l’automazione del computer con una stampante a getto d’inchiostro originariamente utilizzata per stampare i disegni delle magliette.
In un test, hanno esaminato centinaia di migliaia di possibili nuovi materiali e ne hanno scoperto uno fatto di cobalto, tantalio e stagno che ha una trasparenza regolabile e agisce come un buon catalizzatore per le reazioni chimiche pur rimanendo stabile negli elettroliti acidi forti.
Il lavoro, descritto in un articolo scientifico pubblicato negli Atti della National Academy of Sciences (PNAS), è stato condotto da John Gregoire e Joel Haber di Caltech e Lusann Yang di Google. Si basa sulla ricerca condotta presso il Centro comune per la fotosintesi artificiale (JCAP), un Centro di innovazione energetica del Dipartimento dell’energia (DOE) presso Caltech, e continua con il successore di JCAP, Liquid Sunlight Alliance (LiSA), uno sforzo finanziato dal DOE che mira per semplificare i passaggi complicati necessari per convertire la luce solare in combustibile, per rendere quel processo più efficiente.
“La scoperta dei materiali può essere un processo tetro. Se non puoi prevedere dove trovare le proprietà desiderate, potresti passare la tua intera carriera mescolando elementi casuali e non trovando mai nulla di interessante”, dice Gregoire, professore di fisica applicata e scienze, in una dichiarazione dei materiali. ricercatore presso JCAP e leader del team LiSA.
A proposito dell’indagine
Combinando un piccolo numero di singoli elementi, gli scienziati dei materiali possono spesso fare previsioni sulle proprietà che un nuovo materiale potrebbe avere in base alle sue parti costituenti. Tuttavia, questo processo diventa rapidamente insostenibile quando si creano miscele più complicate.
“Qualsiasi cosa più di due elementi è considerata ‘alta dimensionale’ nella scienza dei materiali”, afferma Gregoire, aggiungendo: “la maggior parte o tutti gli ossidi di uno e due metalli sono già noti. La frontiera sconosciuta è tre o più insieme”. Gli ossidi di metallo sono materiali solidi che contengono ioni o cationi metallici con carica positiva e ioni o anioni di ossigeno con carica negativa; l’ossido, per esempio, è l’ossido di ferro.
La maggior parte dei materiali nella crosta terrestre sono ossidi metallici, perché l’ossigeno nell’atmosfera reagisce con vari metalli nella crosta del pianeta. La stabilità ambientale degli ossidi metallici li rende praticamente utili, a condizione che si possano identificare composizioni specifiche di questi ossidi che forniscono le proprietà meccaniche, ottiche, elettroniche e chimiche necessarie per una data tecnologia.
Sebbene gli scienziati dei materiali abbiano dimostrato come tutte queste proprietà possano essere regolate utilizzando vari ossidi metallici, il raggiungimento delle proprietà necessarie per una particolare applicazione può richiedere combinazioni specifiche di più elementi e trovare quelli giusti è una sfida ardua.
Per affrontare la frontiera dei tre o più ossidi metallici, il gruppo di Gregoire ha attinto al lavoro decennale di JCAP. Lì, i ricercatori hanno sviluppato metodi per creare 100.000 materiali al giorno. Uno di questi materiali, scoperto in questo studio, è stato prodotto utilizzando stampanti a getto d’inchiostro riutilizzate per “stampare” nuovi materiali su lastre di vetro. Ogni combinazione di elementi è stata stampata come una linea con una gradazione del rapporto tra i suoi componenti e quindi ossidata ad alta temperatura.
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Ciascuno di questi materiali è stato quindi scansionato e ripreso al Caltech utilizzando una tecnica di imaging iperspettrale sviluppata in collaborazione con Google che può acquisire rapidamente informazioni sul materiale registrando la quantità di luce che assorbe a nove diverse lunghezze d’onda. “Non è un’analisi completa del materiale, ma è veloce e offre indizi su composizioni con proprietà interessanti”, afferma Haber, chimico di ricerca e ingegnere dei materiali presso JCAP e LiSA.
In totale, il team di Caltech ha creato 376.752 combinazioni di tre ossidi metallici basati su 10 elementi metallici e ha prodotto campioni di ogni singola combinazione in 10 momenti diversi per rilevare ed eliminare eventuali difetti nel processo di sintesi. “La stampa può avere artefatti, che è il sacrificio che fai per la velocità . L’analisi di Google ci ha insegnato a fare tutto 10 volte per aumentare la fiducia nei risultati”, afferma Gregoire.
Sebbene imperfetto, il processo crea materiali a tre metalli circa 1.000 volte più velocemente rispetto alle tecniche tradizionali come la deposizione da vapore, in cui il nuovo materiale viene rivestito su un substrato condensandolo da un vapore.
Quindi, gli ingegneri informatici di Google hanno creato algoritmi per elaborare le immagini iperspettrali e hanno cercato composizioni specifiche le cui proprietà ottiche possono essere spiegate solo dalle interazioni chimiche tra i tre elementi metallici.
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