Naukowcy z Instytutu Fraunhoffera, zajmujący się algorytmami, oraz inżynierowie z SCAI w Sankt Augustin starają się opracować nową metodę, która ma ułatwić tworzenie nowych materiałów, potrzebnych do rozwoju technologii.

Badacze mają zamiar stworzyć system informatyczny do wirtualnego projektowania nowych materiałów. Ich dotychczasowe podejście pozwoliło na wypracowanie Tremolo X – oprogramowania dedykowanego do modelowania systemów na wielu różnych poziomach, analizy danych czy uczenia maszynowego. Takie połączenie funkcji umożliwia szybkie projektowanie nowych materiałów i symulowanie ich właściwości.

Niemalże w każdym sektorze przemysłu istnieje konieczność opracowywania nowych materiałów. Jest to szczególnie istotne w przypadku rynku motoryzacyjnego i elektromobilności, ponieważ materiały umożliwiają konstrukcję nowych, lepszych akumulatorów, co przekłada się bezpośrednio na osiągi auta, takie jak np. jego zasięg na jednym ładowaniu.

Dotychczasowo odkrywanie nowych materiałów często było po prostu zgadywaniem – naukowcy wymyślali jakiś materiał i aby przekonać się, czy jest on przydatny, testowali jego działanie w realnym systemie. Jakkolwiek zgromadzono już ogromną bibliotekę przebadanych materiałów, to nie jest ona na tyle szczegółowa, by dostarczać realnej wiedzy na temat dokładnych własności poszczególnych elementów, co oznacza, że i tak konieczne są testy i żmudne oraz zasobochłonne badania ich parametrów.

Naukowcy z Instytutu Fraunhofera przyjęli zupełnie inne podejście. Ich system pozwala na rozbicie wymagań co do nowego materiału na podstawowe jego właściwości fizyczne i na dobór substancji na poziomie atomowym. Oprogramowanie Tremolo X oblicza wypadkowe własności materiału na podstawie jego składu atomowego i oddziaływania poszczególnych elementów składowych substancji ze sobą.

„Naszym celem jest skrócenie czasu opracowywania nowych materiałów”, mówi doktor Jan Hamaekers z Fraunhofera. „Obecnie proces ten zajmuje od dziesięciu do dwudziestu lat, by uzyskać odpowiedni materiał; pochłania to spore koszty i zajmuje dużo czasu”.

„Nasz pomysł opiera się na redukcji liczby potencjalnych kandydatów na nowy materiał do zaledwie kilku, które już można niedrogo przetestować w realnym laboratorium”, wyjaśnia Hamaekers. „Aby było to możliwe konieczne jest zdefiniowanie szerokiej gamy różnych parametrów, na przykład tego jak szybko dany materiał ma stygnąć, jakie obciążenia ma przenosić itd. Dane te wykorzystywane są następnie w programie do symulowania. Program symuluje materiały na poziomie atomowym, czy nawet kwantowym, a następnie sprawdza, jak radzi sobie on z wymaganiami, jakie postawiono na początku”.

Równolegle do symulacji inna część programu wykorzystuje obecną wiedzę na temat parametrów materiałowych różnych substancji do przewidywania, jakie wypadkowe parametry będzie miał nowy materiał.

Procedura multi-skalowego modelowania wykorzystana w Tremolo X przyjęta jest między innymi w przemyśle chemiczny. W ramach tej procedury najpierw modeluje się materiał na poziomie kwantowym, a potem, wykorzystując zebrane informacje, na poziomie atomowym.

„Jeśli chcemy na przykład zbadać, jak dany elektrolit zachowa się w ogniwie litowo-jonowym, najpierw symulujemy rozpuszczone w nim cząstki na poziomie kwantowym i patrzymy, co się z nim dzieje. Następnie, korzystając z uzyskanych danych, modelujemy elektrolit na poziomie atomowym, co pozwala nam na badanie dynamiki ich dyfuzji czy też ruchu. Jest to punkt wyjścia do dalszego modelowania i oceny parametrów już w większej skali, co pozwala nam na określenie jak elektrolit zachowa się w warunkach makroskopowych”, tłumaczy Hamaekers.

Dzięki temu można nie tylko tworzyć nowe materiały, ale także modelować i dobierać procesy produkcji, dzięki na przykład wykorzystaniu kwantowych i atomowych metod symulacji w wirtualnym reaktorze, by zidentyfikować kluczowe punkty i parametry procesów technologicznych, które mogą być zoptymalizowane.

Artykuł stanowi utwór w rozumieniu Ustawy 4 lutego 1994 r. o prawie autorskim i prawach pokrewnych. Wszelkie prawa autorskie przysługują swiatoze.pl. Dalsze rozpowszechnianie utworu możliwe tylko za zgodą redakcji.