Accoppiare l'automazione del computer 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. In una prova del processo, hanno vagliato centinaia di migliaia di possibili nuovi materiali e ne hanno scoperto uno fatto di cobalto, tantalio, e stagno che ha una trasparenza sintonizzabile e agisce come un buon catalizzatore per le reazioni chimiche pur rimanendo stabile negli elettroliti acidi forti.

Lo sforzo, descritto in un articolo scientifico pubblicato in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze ( PNAS ), era guidata da John Gregoire e Joel Haber del Caltech, e Lusann Yang di Google. Si basa sulla ricerca condotta presso il Centro comune per la fotosintesi artificiale (JCAP), un Dipartimento dell'Energia (DOE) Energy Innovation Hub presso Caltech, e continua con il successore di JCAP, la Liquid Sunlight Alliance (LiSA), uno sforzo finanziato dal DOE che mira a semplificare i complicati passaggi necessari per convertire la luce solare in combustibili, per rendere quel processo più efficiente.

Creare nuovi materiali non è semplice come far cadere alcuni elementi diversi in una provetta e scuoterla per vedere cosa succede. Hai bisogno degli elementi che combini per legarsi tra loro a livello atomico per creare qualcosa di nuovo e diverso piuttosto che solo una miscela eterogenea di ingredienti. Con un numero quasi infinito di possibili combinazioni dei vari quadrati sulla tavola periodica, la sfida è sapere quali combinazioni produrranno un tale materiale.

"La scoperta dei materiali può essere un processo desolante. Se non puoi prevedere dove trovare le proprietà desiderate, potresti passare tutta la tua carriera mescolando elementi casuali e non trovare mai niente di interessante, "dice Gregorio, professore di fisica applicata e scienza dei materiali, ricercatore presso JCAP, e capo del team LiSA.

Quando si combinano un piccolo numero di singoli elementi, gli scienziati dei materiali possono spesso fare previsioni su quali proprietà potrebbe avere un nuovo materiale in base alle sue parti costituenti. Però, quel processo diventa rapidamente insostenibile quando vengono realizzate miscele più complicate.

"Qualsiasi cosa più di due elementi è considerata 'alta dimensionale' nella scienza dei materiali, " dice Gregoire. "La maggior parte o tutti gli ossidi di uno e due metalli sono già noti, " dice. "La frontiera sconosciuta è tre o più insieme." (Gli ossidi metallici sono materiali solidi che contengono ioni metallici carichi positivamente, o cationi, e ioni di ossigeno carichi negativamente, o anioni; ruggine, Per esempio, è 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 possano essere identificate composizioni specifiche di tali ossidi che forniranno la meccanica, ottico, elettronico, e proprietà chimiche necessarie per una data tecnologia.

Sebbene gli scienziati dei materiali abbiano dimostrato come tutte queste proprietà possano essere regolate attraverso l'uso di vari ossidi metallici, ottenere le 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 di metallo, Il gruppo di Gregoire ha attinto a un decennio di lavoro di JCAP. Là, 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 costituenti e quindi ossidata ad alta temperatura.

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 rapido e offre indizi sulle composizioni con proprietà interessanti, "dice Haber, ricercatore chimico e ingegnere dei materiali presso JCAP e LiSA.

In tutto, il team Caltech ha creato 376, 752 combinazioni di tre metalli-ossido basate su 10 elementi metallici e hanno prodotto campioni di ogni singola combinazione 10 volte diverse per rilevare ed eliminare eventuali difetti nel processo di sintesi. "La stampa può avere artefatti, che è il sacrificio che fai per la velocità. Le analisi di Google ci hanno insegnato a fare tutto 10 volte per creare fiducia nei risultati, "dice Gregorio.

Sebbene imperfetto, il processo crea materiali trimetallici circa 1, 000 volte più veloce delle tecniche tradizionali come la deposizione da vapore, in cui il nuovo materiale viene rivestito su un substrato condensandolo da un vapore.

Gli ingegneri informatici di Google hanno quindi 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.

"Se i tre elementi interagiscono chimicamente per fornire proprietà ottiche eccezionali, le loro interazioni possono anche dar luogo ad altre proprietà eccezionali, " spiega Gregoire. Poiché la tecnica può identificare la piccola frazione di composizioni che mostrano evidenza di queste interazioni chimiche, restringe anche il pagliaio per gli scienziati dei materiali alla ricerca di aghi, per così dire.

"Il laboratorio di John ha avuto il tipo di problema che sogniamo in Google Applied Science:può stampare centinaia di migliaia di campioni in un giorno, con conseguente terabyte di dati di immagine, " afferma il ricercatore di Google Lusann Yang. "Siamo stati lieti di lavorare a stretto contatto con lui in ogni fase di questa collaborazione di sei anni, trovare luoghi in cui applicare il toolkit unico di Google per esperimenti iterativi su grandi quantità di dati rumorosi:progettazione di esperimenti, hardware di debug, elaborazione di grandi quantità di dati di immagine, e la creazione di algoritmi ispirati alla fisica. Il risultato è un set di dati sperimentali di ampiezza unica in molti spazi chimici che sono orgoglioso di rendere open source".

Per convalidare i loro risultati, Il team di Gregoire al Caltech ha ricreato i materiali contrassegnati come "interessanti" utilizzando la deposizione fisica da vapore e li ha analizzati utilizzando la diffrazione dei raggi X, un processo più lento ma più completo dell'imaging iperspettrale. Questo tipo di convalida ha rivelato che il processo automatizzato ad alto rendimento era più abile nell'individuare nuovi materiali rispetto a un'analisi approfondita dei dati iperspettrali da parte di uno scienziato umano.

Il PNAS l'articolo è intitolato "Scoperta di ossidi complessi tramite esperimenti automatizzati e scienza dei dati".