Ricerca di materiali in piombo con proprietà specifiche, i ricercatori hanno sviluppato un flusso di lavoro che incorpora l'intelligenza artificiale per guidare la scoperta di una nuova struttura ceramica con una conduttività termica particolarmente bassa. Come spiegano nel diario Angewandte Chemie , il materiale ha un'insolita struttura quasicristallina, potenzialmente aprendo la strada a nuovi materiali termoisolanti e termoelettrici.

Le ceramiche a bassa conduttività termica sono costantemente ricercate per rivestimenti di protezione dal calore o applicazioni termoelettriche. In altre parole, per la generazione di corrente dal calore. Matthew J. Rosseinsky dell'Università di Liverpool, UK, e i suoi colleghi, ha preso il gruppo chimico dei titanati come punto di partenza in questa ricerca. Sulla base di calcoli energetici, concentrarono la loro ricerca sui titanati contenenti frazioni di ittrio e ossidi di bario.

Per restringere i candidati con composizioni che darebbero un materiale con conduttività termica potenzialmente ancora più bassa, i ricercatori si sono rivolti all'intelligenza artificiale, addestramento di modelli di machine learning con ceramiche di composizione nota e conducibilità termica nota. I modelli hanno confermato la loro decisione originale basata sulla conoscenza di limitarsi ai titanati di bario-ittrio.

I risultati dell'IA hanno anche mostrato che la composizione può avere un ulteriore impatto sulla conduttività termica. "Questo ci ha guidato a preferire una delle due regioni di composizione identificate dai calcoli energetici per il lavoro sperimentale, " dice Rosseinsky. Così, i ricercatori hanno sintetizzato un nuovo ossido, ancora sconosciuto, composto da dieci parti di bario, sei parti di ittrio, quattro parti di titanio, e 27 parti di atomi di ossigeno.

Il nuovo materiale si è rivelato metastabile, e la sua struttura si è rivelata particolarmente sorprendente. Nei cristalli "normali", gli atomi sono disposti periodicamente. Però, nel nuovo materiale il team ha osservato una struttura "quasicristallina". I quasicristalli hanno una disposizione ordinata degli atomi, ma non la piena periodicità tridimensionale. Solo quando si considerano i quasicristalli in termini di "ordine a lungo raggio" si può riconoscere la periodicità continua tipica dei cristalli. Il team ha evidenziato il significato di questi risultati:"Sono stati osservati quasicristalli di ossido alle interfacce, però, il materiale presentato qui è il primo che è stato proposto come un quasicristallo nella massa."

Il nuovo titanato è risultato avere una conduttività termica inferiore a quasi tutti gli altri noti ossidi di metalli di transizione di questo tipo, con un solo ossido di molibdeno a struttura cristallina complessa che dà risultati migliori. Gli autori hanno anche spiegato la conducibilità termica del loro materiale in termini teorici, confrontando il comportamento del quasicristallo con quello del vetro. Gli occhiali hanno una struttura materica non ordinata, e sono noti per essere buoni isolanti termici.

Il team ha sottolineato il ruolo della distribuzione di un insieme integrato di strumenti, basata sulla conoscenza e la comprensione della chimica, e incorporando modelli di apprendimento automatico. "Il nostro studio mostra come l'intelligenza artificiale può aiutare nel processo decisionale ad accelerare la scoperta, "dice Rosseinskij.