- Badacze, używając uczenia maszynowego, odkryli nieznane struktury węgla
- Supertwarde materiały mogą zrewolucjonizować wiele branż
- Stoją za tym profesor chemii o polskich korzeniach i międzynarodowy zespół
Świat chemii połączył siły ze sztuczną inteligencją, żeby wynaleźć nowe struktury węgla. Kilka z nowo odkrytych odmian może być twardsze niż diament.
Węgiel to jeden z nielicznych pierwiastków, znanych już w starożytności. Może występować w naturze w znanych powszechnie odmianach – od grafitu po diament, jeden z najtwardszych materiałów na Ziemi. Diament kroi, wierci i poleruje inne twarde materiały. Ale jest drogi. Nowo odkryte formy węgla mogą zaradzić temu problemowi.
Za badaniami stoi laboratorium, kierowane przez chemiczkę o polskich korzeniach prof. Evę Żurek z Wydziału Chemii Uniwersytetu Buffalo. Projekt współprowadziła z profesorem nadzwyczajnym Stefano Curtarolo, wykładowcą inżynierii mechanicznej i materiałoznawstwa na Uniwersytecie Duke’a w Durnham (Karolina Północna).
Od ropy po kosmos
Zespół naukowców wykorzystał techniki obliczeniowe do zidentyfikowania 43 wcześniej nieznanych struktur węgla, które uważa się za stabilne i supertwarde. Jest wśród nich kilka, które według przewidywań są nieco twardsze lub prawie tak twarde, jak diamenty.
– Supertwarde materiały mogą być wykorzystywane do wiercenia, np. przy poszukiwaniu ropy naftowej, polerowaniu maszyn i narzędzi, konstrukcji samolotów, zwłaszcza wojskowych i statków kosmicznych, narażonych na uszkodzenia w zderzeniu z innymi obiektami – wyjaśnia portalowi sztucznainteligencja.org.pl prof. Eva Żurek.
Każda nowa odmiana węgla składa się z atomów węgla ułożonych w wyraźny wzór sieci krystalicznej. Badanie łączy przewidywania obliczeniowe struktur krystalicznych z uczeniem maszynowym w poszukiwaniu nowych materiałów.
Algorytm dla kryształów
Stabilność związków naukowcy pod okiem prof. Żurek obliczyli w szczególności na podstawie teorii funkcjonalnej gęstości. Wykorzystuje ona kwantowe obliczenia mechaniczne.
Ewolucyjnym algorytmem przewidywania struktury krystalicznej jest XtalOpt. To algorytm typu open source do prognozowania struktury kryształów, opracowany w laboratorium prof. Żurek w celu wygenerowania losowych struktur kryształów dla węgla. Następnie zespół zastosował model uczenia maszynowego, aby przewidzieć twardość „wyliczonych” gatunków węgla. Najbardziej obiecujące – twarde i stabilne struktury – użył algorytm XtalOpt jako „macierzysty” do tworzenia kolejnych nowych struktur i tak dalej.
Supertwarde materiały można wykorzystać do wiercenia, np. przy poszukiwaniu ropy naftowej, polerowaniu maszyn i narzędzi, konstrukcji samolotów, zwłaszcza wojskowych i statków kosmicznych – wyjaśnia portalowi sztucznainteligencja.org.pl prof. Eva Żurek
Twardość materiału określono przy użyciu modułu sprężystości poprzecznej, który został znaleziony przy użyciu modelu uczenia maszynowego. Przeszkolono go na bazie danych AFLOW (Automatic Flow). To ogromna, globalnie dostępna biblioteka danych o materiałach o obliczonych właściwościach, utrzymywana przez laboratorium kierowane przez dra Curtarolo. W rejestrach znajdują się informacje na temat prawie 3 milionów związków materiałowych i ponad 527 milionów danych dotyczących ich obliczonych właściwości.
Poszukiwanie twardych materiałów
Twardość odnosi się do odporności materiału na odkształcenie. Naukowcy uważają, że substancja jest supertwarda, jeśli ma ponad 40 gigapaskali, mierzonych w eksperymencie zwanym testem twardości Vickersa. Pomiar twardości starą metodą Vickersa polega na wgnieceniu w powierzchnię badanego materiału foremnego ostrosłupa diamentowego. Jak przewidują badacze, wszystkie 43 nowe struktury węgla osiągną ten próg. Szacuje się, że trzy przekraczają twardość diamentów Vickersa.
Współautorami nowego badania są absolwent Uniwersytetu w Buffalo doktor Patrick Avery i doktorant UB Xiaoyu Wang, obaj zaangażowani w pracę naukową w laboratorium prof. Żurek oraz Corey Oses i Eric Gossett z Duke University. Dołączył do nich Davide Proserpio z Universitá degi Studi w Mediolanie.
Badania sfinansowało US Office of Naval Research, przy dodatkowym wsparciu Universitá degi Studi i wsparciu obliczeniowym z Centrum Badań Obliczeniowych Uniwersytetu Buffalo.
Pod ciśnieniem
Jednym z przykładów takiego materiału, który wcześniej stworzyli naukowcy z Uniwersytetu Yale, jest grafit prasowany na zimno – powstał kilka lat temu dzięki umieszczeniu grafitu w temperaturze pokojowej pod ciśnieniem.
Badania zespołu z Buffalo to póki co praca teoretyczna – naukowcy przewidzieli nowe struktury węglowe, ale jeszcze ich nie stworzyli. Czy to zrobią?
– Trudno powiedzieć. Obliczenia sugerują, że te nowe struktury węglowe mogą być wykonywane pod ciśnieniem. Naukowcy muszą znaleźć odpowiednie materiały wyjściowe i określić warunki syntezy ciśnienia i temperatury, aby znaleźć sposób na stworzenie niektórych z tych supertwardych materiałów – przyznaje w rozmowie z nami prof. Żurek.