I ricercatori della Aalto University e dell'Università di Cambridge hanno compiuto un importante passo avanti nella scienza computazionale combinando la modellazione a livello atomico e l'apprendimento automatico. Per la prima volta, il metodo è stato utilizzato per modellare realisticamente come si forma un materiale amorfo a livello atomico:cioè, un materiale che non ha una struttura cristallina regolare. Si prevede che l'approccio avrà un impatto sulla ricerca di molti altri materiali.

"Il segreto del nostro successo è l'apprendimento automatico, attraverso il quale possiamo modellare il comportamento di migliaia di atomi per lunghi periodi di tempo. In questo modo, abbiamo ottenuto un modello più accurato, " spiega il ricercatore post-dottorato Miguel Caro.

Le simulazioni del team rivelano che il film di carbonio simile al diamante si forma a livello atomico in un modo diverso da quanto si pensasse. La comprensione prevalente negli ultimi 30 anni del meccanismo di formazione del film di carbonio amorfo si è basata su ipotesi e risultati sperimentali indiretti. Finora non è stato disponibile né un modello a livello atomico buono né adeguato. Il nuovo metodo ha ora ribaltato i precedenti modelli qualitativi e fornito un quadro preciso a livello atomico del meccanismo di formazione.

"Prima, Si pensava che i film di carbonio amorfo si formassero quando gli atomi sono impacchettati insieme in una piccola area. Abbiamo dimostrato che le onde d'urto meccaniche possono causare la formazione di atomi simili a diamanti più lontani dal punto in cui gli atomi che impattano colpiscono il bersaglio, riferisce Caro, che ha eseguito le simulazioni sui supercomputer CSC (IT Center for science), modellando la deposizione di decine di migliaia di atomi.

I risultati aprono nuove strade significative per la ricerca

Ci sono innumerevoli usi diversi per il carbonio amorfo. Viene utilizzato come rivestimento in molte applicazioni meccaniche, come i motori delle automobili, Per esempio. Inoltre, il materiale può essere utilizzato anche per scopi medici e in vari ambiti energetici, applicazioni biologiche e ambientali.

"Per noi, l'applicazione più importante sono i biosensori. Abbiamo utilizzato rivestimenti di carbonio amorfo molto sottili per identificare diverse biomolecole. In queste applicazioni, è particolarmente importante conoscere l'elettricità dei film, proprietà chimiche ed elettrochimiche e poter personalizzare il materiale per una particolare applicazione, " spiega il professor Tomi Laurila.

Dottor Volker Deringer, un compagno di carriera di Leverhulme, è particolarmente entusiasta di utilizzare questi metodi per i materiali amorfi.

"Fare squadra è stato un grande successo, " concludono Deringer e Caro, che stanno continuando la collaborazione tra le loro istituzioni attraverso visite continue. Il team si aspetta che il loro approccio aiuterà molti altri nella ricerca sui materiali sperimentali, perché può fornire informazioni sui materiali con un livello di precisione vicino a quello dei metodi della meccanica quantistica, ma contemporaneamente può utilizzare migliaia di atomi e lunghi tempi di simulazione. Entrambi questi sono estremamente importanti per un'immagine realistica dei processi negli esperimenti.

"Sono particolarmente entusiasta del tipo di opportunità che questo metodo offre per ulteriori ricerche. Questo modello a livello atomico produce risultati verificabili corretti che corrispondono eccezionalmente bene ai risultati sperimentali, rivelando anche per la prima volta i fenomeni a livello atomico dietro i risultati. Utilizzando il modello, noi possiamo, Per esempio, prevedere quale tipo di superficie di carbonio sarebbe la migliore per misurare i neurotrasmettitori dopamina e serotonina, "dice Laurila.