Die traditionelle Trial-and-Error-Methode in der Materialforschung kann die wachsende Nachfrage nach verschiedenen Hochleistungsmaterialien nicht erfüllen, daher ist die Entwicklung eines neuen effektiven Paradigmas der Materialwissenschaft äußerst dringend. Eine von Dr. Xiao-Ming Jiang und Prof. Guo-Cong Guo (Fujian Institute of Research on the Structure of Matter, Chinesische Akademie der Wissenschaften) geleitete Studie schlägt ein neues Forschungsparadigma für Materialstudien vor, das auf dem Konzept des „funktionalen Motivs“ basiert.
Funktionsmotive wurden als kritische Mikrostruktureinheiten (z. B. konstituierende Komponenten und Bausteine) definiert, die eine entscheidende Rolle bei der Erzeugung bestimmter Materialfunktionen spielen. Diese Einheiten könnten nicht durch andere Struktureinheiten ersetzt werden, ohne die entsprechenden Funktionen zu verlieren oder erheblich zu unterdrücken. Das funktionale Motivparadigma beginnt mit den Hauptaspekten mikroskopischer Strukturen und Materialeigenschaften. Auf der Grundlage dieses Verständnisses können die die Materialeigenschaften bestimmenden funktionalen Motive extrahiert und die quantitativen Zusammenhänge zwischen ihnen untersucht und die Ergebnisse als „Funktionsmotivtheorie“ weiterentwickelt werden. Letzteres sollte als Richtlinie für die Entwicklung neuer Materialien und als Werkzeug zur Vorhersage der physikalisch-chemischen Eigenschaften von Materialien nützlich sein.
Die Eigenschaften von Materialien werden durch ihre funktionellen Motive und ihre Anordnung in den Materialien bestimmt, wobei letztere die quantitativen Struktur-Eigenschafts-Beziehungen bestimmen. Das Aufdecken der funktionalen Motive und ihrer Anordnungen ist entscheidend für das Verständnis der Eigenschaften von Materialien, und die Erforschung funktionaler Motive ermöglicht das rationale Design neuer Materialien mit gewünschten Eigenschaften.
Angesichts der Bedeutung mikroskopischer Strukturen im funktionalen Motivparadigma ist es notwendig, Materialstrukturen vollständig zu verstehen. Die Hierarchie der Materialstruktur umfasst Informationen, die mehrere Längen- und Zeitskalen überqueren. Jiang XM et al. klassifizieren die Materialstrukturen in makroskopische, mesoskopische und mikroskopische Strukturen und klassifizieren ferner mikroskopische Strukturen in sechs Typen. dh die Kristall-, magnetischen, aperiodischen, Defekt-, lokalen und elektronischen Strukturen. Für jede Art von mikroskopischer Struktur präsentieren Jiang XM et al. die Rolle funktioneller Motive und ihrer Anordnungen bei der Bestimmung von Eigenschaften mit repräsentativen funktionellen Materialien.
Jiang XM et al. nehmen Infrarot-(IR)-NLO-Materialien als Beispiel, um die funktionsorientierte Designstrategie neuer funktionaler Materialien vorzustellen, bei der die Rolle funktionaler Materialmotive beim Design von Materialien betont wird. Diese Strategie unterscheidet sich von der traditionellen strukturorientierten Entwurfsstrategie.
Jiang XM et al. diskutieren auch die wichtige Rolle von Hochdurchsatz-Experimenten und -Berechnungen in Materialstudien und die Herausforderungen bei der Extraktion funktioneller Motive aus einer riesigen Datenmenge zu Materialstrukturen und -eigenschaften. Es wird erwartet, dass maschinelles Lernen nützlich ist, um Materialeigenschaften effizient vorherzusagen und Materialien mit gewünschten Eigenschaften zu screenen. Für das Design neuer Materialien ist die Entwicklung ausreichend zuverlässiger Materialstrukturen und Eigenschaftsdatenbanken sowie neuer effektiver Methoden zur Extraktion von Funktionsmotiven und Struktur-Eigenschafts-Beziehungen von Materialien aus maschinellen Lernmodellen unerlässlich.
Die Studie wurde veröffentlicht in National Science Review.
Xiao-Ming Jiang et al, Materialforschung aus Sicht funktionaler Motive, National Science Review (2022). DOI: 10.1093/nsr/nwac017