Il paradigma parte dagli aspetti principali delle strutture microscopiche e delle proprietà dei materiali. Sulla base dei quali possono essere estratti i motivi funzionali che governano le proprietà dei materiali e possono essere studiate le relazioni quantitative tra di loro, ei risultati potrebbero essere ulteriormente sviluppati come la "teoria dei motivi funzionali". Quest'ultimo dovrebbe essere utile come linea guida per la creazione di nuovi materiali e come strumento per prevedere le proprietà fisico-chimiche dei materiali. Credito:Science China Press
Il metodo tradizionale per tentativi ed errori nella ricerca sui materiali non può soddisfare la crescente domanda di vari materiali ad alte prestazioni, quindi lo sviluppo di un nuovo paradigma efficace della scienza dei materiali è estremamente urgente. Uno studio condotto dal Dr. Xiao-Ming Jiang e dal Prof. Guo-Cong Guo (Fujian Institute of Research on the Structure of Matter, Chinese Academy of Sciences) propone un nuovo paradigma di ricerca per gli studi sui materiali basato sul concetto di "motivo funzionale".
Il motivo funzionale è stato definito come le unità critiche della microstruttura (ad esempio, componenti costitutivi e blocchi costitutivi) che svolgono un ruolo decisivo nella generazione di determinate funzioni materiali. Queste unità non potevano essere sostituite con altre unità della struttura senza perdere o sopprimere in modo significativo le relative funzioni. Il paradigma del motivo funzionale inizia con gli aspetti principali delle strutture microscopiche e le proprietà dei materiali. Sulla base di questa comprensione, i motivi funzionali che governano le proprietà dei materiali possono essere estratti e le relazioni quantitative tra di loro possono essere studiate e i risultati potrebbero essere ulteriormente sviluppati come "teoria dei motivi funzionali". Quest'ultimo dovrebbe essere utile come linea guida per la creazione di nuovi materiali e come strumento per prevedere le proprietà fisico-chimiche dei materiali.
Le proprietà dei materiali sono determinate dai loro motivi funzionali e da come sono disposti nei materiali, con quest'ultimo che determina le relazioni quantitative struttura-proprietà. Scoprire i motivi funzionali e le loro disposizioni è fondamentale per comprendere le proprietà dei materiali e l'esplorazione dei motivi funzionali consente la progettazione razionale di nuovi materiali con le proprietà desiderate.
In termini di scala di lunghezza delle caratteristiche strutturali, la struttura materiale può essere classificata in strutture macroscopiche, mesoscopiche e microscopiche. E la struttura microscopica dei materiali può essere plausibilmente classificata in sei tipi:(1) strutture cristalline che possiedono un ordine di atomi a lungo raggio, (2) strutture magnetiche con ordine di momenti di spin a lungo raggio nei materiali cristallini, (3) strutture aperiodiche con modulazioni atomiche organizzate a lungo raggio da un materiale cristallino, (4) strutture difettose con distribuzioni casuali o non casuali a lungo raggio di difetti atomici nei materiali cristallini, (5) strutture locali che rappresentano ambienti di coordinazione locale di atomi nell'intervallo di coordinazione multipla gusci e (6) strutture elettroniche che rappresentano le distribuzioni di densità di elettroni nello spazio reale (o spazio di posizione) e quelle che rappresentano le distribuzioni di elettroni nello spazio di quantità di moto (o k-spazio). Questa classificazione non è troppo rigorosa, mentre giova alle indagini sui motivi funzionali e sui rapporti struttura-proprietà. (Le palline rosa nel quadrato rosso rappresentano gli atomi in una cella unitaria ripetuta; la freccia nera rappresenta i momenti di rotazione. Le linee blu evidenziano le posizioni relative degli atomi.). Credito:Science China Press
Data l'importanza delle strutture microscopiche nel paradigma del motivo funzionale, è necessario comprendere appieno le strutture materiali. La gerarchia della struttura materiale coinvolge le informazioni che attraversano più scale di lunghezza e di tempo. Jiang X-M et al classificano le strutture materiali in strutture macroscopiche, mesoscopiche e microscopiche e classificano ulteriormente le strutture microscopiche in sei tipi. cioè le strutture cristalline, magnetiche, aperiodiche, difettose, locali ed elettroniche. Per ogni tipo di struttura microscopica, Jiang X-M et al presentano il ruolo dei motivi funzionali e le loro disposizioni nel determinare le proprietà con materiali funzionali rappresentativi.
Jiang X-M et al prendono i materiali a infrarossi (IR) NLO come esempio per introdurre la strategia di progettazione orientata alla funzione di nuovi materiali funzionali, in cui il ruolo dei motivi funzionali dei materiali è sottolineato nella progettazione dei materiali. Questa strategia differisce dalla tradizionale strategia di progettazione orientata alla struttura.
Jiang X-M et al. discutono anche dell'importante ruolo della sperimentazione e del calcolo ad alto rendimento negli studi sui materiali e delle sfide per l'estrazione di motivi funzionali da un'enorme quantità di dati sulle strutture e le proprietà dei materiali. L'apprendimento automatico dovrebbe essere utile per prevedere in modo efficiente le proprietà dei materiali e per schermare i materiali con le proprietà desiderate. Per la progettazione di nuovi materiali, lo sviluppo di strutture di materiali e database di proprietà sufficientemente affidabili e di nuovi metodi efficaci per estrarre motivi funzionali e relazioni struttura-proprietà dei materiali dai modelli di apprendimento automatico è fondamentale.
La ricerca è stata pubblicata su National Science Review . + Esplora ulteriormente
