I ricercatori dell'Università del Texas ad Austin stanno esplorando come le simulazioni molecolari con le più recenti strategie di ottimizzazione possono creare un modo più sistematico di scoprire nuovi materiali che mostrano specifiche, proprietà desiderate.

Più specificamente, lo hanno fatto riformulando l'obiettivo progettuale al microscopico, chiedendo quali interazioni tra le particelle costituenti possono farle "autoassemblare" spontaneamente in un materiale sfuso con una particolare proprietà. Per trovare la risposta, segnalato questa settimana in Il Giornale di Fisica Chimica , hanno deciso di concentrarsi su come le particelle composite si organizzano spazialmente.

"La nostra ispirazione tecnica è venuta da un campo di ricerca molto diverso:la modellazione e la simulazione di biomolecole, " ha detto Thomas Truskett, un professore del Dipartimento di Ingegneria Chimica di McKetta e coautore del lavoro. "Gli esperti in quel campo avevano sviluppato una serie di strumenti per l'utilizzo di simulazioni molecolari per "apprendere" quali interazioni di modelli semplificati potrebbero riprodurre le squisite proprietà strutturali di grandi biomolecole".

Hanno riconosciuto che questo approccio di modellazione potrebbe essere utilizzato per identificare interazioni interparticelle più semplici che si autoassemblano spontaneamente nelle strutture più complesse.

"L'autoassemblaggio è un fenomeno per cui le particelle, come atomi e molecole, si organizzano spontaneamente in complesse architetture multidimensionali, " disse Truskett. "Il congelamento dell'acqua - la sua cristallizzazione - è un esempio quotidiano, e il modo in cui le molecole d'acqua si dispongono in condizioni esterne prescritte è dettato dalle loro interazioni o forze."

Per ampliare le possibilità di autoassemblaggio, il gruppo ha studiato un'altra classe di particelle chiamate "colloidi, " che tipicamente si riferiscono a molecole o nanoparticelle più grandi sospese in un fluido.

"[I colloidi sono] interessanti per l'autoassemblaggio e si distinguono dai loro cugini atomici e molecolari più piccoli perché le loro interazioni sono altamente sintonizzabili, "ha detto Ryan Jadrich, un borsista post-dottorato presso il Dipartimento di Ingegneria Chimica McKetta. "Adeguando accuratamente le interazioni delle particelle colloidali, possiamo esercitare un controllo senza precedenti sui dettagli organizzativi microscopici per influenzare notevolmente le proprietà dei materiali sfusi".

Il design avanzato è stato di fatto l'approccio all'autoassemblaggio ingegneristico per molti anni.

"In un'interpretazione molto semplificata, il design avanzato consiste nel fabbricare particelle con nuove interazioni e poi controllare per vedere in cosa si assemblano, si spera qualcosa di desiderabile, " ha detto Truskett. "L'intuizione fisica dei ricercatori può aiutare ad accelerare il processo di realizzazione dei materiali desiderati, ma questo approccio è costoso dal punto di vista temporale e richiede un certo grado di fortuna o grandi spese".

disegno inverso, cui si rivolge il lavoro del gruppo, tenta letteralmente il problema al contrario.

"I ricercatori umani fanno ciò in cui sono bravi:immaginare architetture di particelle nuove e utili. E i computer fanno ciò in cui sono bravi:risolvere complessi problemi di ottimizzazione, " ha detto Jadrich.

Secondo Truskett, uno dei principali vantaggi del nuovo approccio di progettazione inversa è che fornisce un quadro altamente generale che può essere applicato nel mirare all'autoassemblaggio di materiali cristallini o fluidi "al volo".

"[I] metodo 'impara' tutto ciò di cui ha bisogno poiché i dati rilevanti emergono naturalmente da un iterativo, framework basato sulla simulazione, " ha detto. "Un corollario interessante è che non è richiesto alcun database ausiliario precompilato di informazioni:tali archivi di dati erano un prerequisito indesiderabile per i precedenti approcci di progettazione inversa del cristallo".

Hanno assemblato computazionalmente alcune architetture di particelle decisamente intriganti, compreso uno descritto come "formaggio svizzero".

"In questo caso, abbiamo scoperto interazioni che hanno spinto le particelle ad autoassemblarsi in una matrice che circonda i fori sferici, alias pori o cavità, " disse Truskett. " Sorprendentemente, questi pori ordinati in una disposizione cristallina, mentre le particelle "reali" più piccole rimanevano in un disordine, stato fluido che percola intorno ai pori."

Sebbene il design inverso sia un'area di ricerca relativamente giovane e attiva, si stanno già facendo progressi verso un quadro generale e praticamente utile, secondo Jadrich, dove il loro lavoro rappresenta una strategia emergente. Il design inverso fa parte di una tendenza emergente tra le discipline scientifiche, utilizzando l'apprendimento automatico computazionale e l'interferenza statistica per accelerare la scoperta.

"Il design inverso consente la scoperta di materiali molto più complessi, sui computer, come mai prima d'ora, e questa è una tendenza che crediamo continuerà, " ha detto. "Tali strumenti non sostituiranno presto i ricercatori umani, ma consentire ai ricercatori di concentrarsi su altro, compiti spesso più interessanti che richiedono un design creativo. Il peso del lavoro, che equivale a stuzzicare dettagli sottili, trovare modelli, o eseguire calcoli complessi, ora può essere relegato all'automazione".