Ingenieure entwickeln eine Methode, um zu bestimmen, wie sich die Oberflächen von Materialien verhalten

Die Entwicklung neuer Verbindungen oder Legierungen, deren Oberflächen als Katalysatoren in chemischen Reaktionen eingesetzt werden können, kann ein komplexer Prozess sein, der stark auf die Intuition erfahrener Chemiker angewiesen ist. Ein Forscherteam am MIT hat mithilfe von maschinellem Lernen einen neuen Ansatz entwickelt, der Intuition überflüssig macht und detailliertere Informationen liefert, als herkömmliche Methoden praktisch erreichen können.

Als das Team beispielsweise das neue System auf ein Material anwendete, das bereits seit 30 Jahren mit herkömmlichen Mitteln untersucht wurde, stellte das Team fest, dass die Oberfläche der Verbindung zwei neue Atomkonfigurationen bilden könnte, die zuvor nicht identifiziert worden waren, und eine weitere Konfiguration, die in früheren Arbeiten beobachtet wurde ist wahrscheinlich instabil.

Die Ergebnisse werden in der Zeitschrift beschrieben Naturinformatikin einem Artikel des MIT-Doktoranden Xiaochen Du, der Professoren Rafael Gómez-Bombarelli und Bilge Yildiz, des technischen Mitarbeiters des MIT Lincoln Laboratory, Lin Li, und drei weiteren.

Oberflächen von Materialien interagieren oft auf eine Art und Weise mit ihrer Umgebung, die von der genauen Konfiguration der Atome an der Oberfläche abhängt, die je nachdem, welche Teile der atomaren Struktur des Materials freiliegen, unterschiedlich sein kann. Stellen Sie sich einen Schichtkuchen mit Rosinen und Nüssen vor: Je nachdem, wie Sie den Kuchen genau schneiden, werden am Rand Ihres Stücks unterschiedliche Mengen und Anordnungen der Schichten und Früchte sichtbar.

Auch die Umwelt spielt eine Rolle. Die Oberfläche des Kuchens sieht anders aus, wenn er in Sirup eingeweicht wird, wodurch er feucht und klebrig wird, oder wenn er in den Ofen geschoben wird, wodurch die Oberfläche knusprig wird und dunkler wird. Dies ähnelt der Reaktion von Materialoberflächen, wenn sie in eine Flüssigkeit eingetaucht oder unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzt werden.

Die üblicherweise zur Charakterisierung von Materialoberflächen verwendeten Methoden sind statisch und betrachten eine bestimmte Konfiguration aus den Millionen von Möglichkeiten. Die neue Methode ermöglicht eine Schätzung aller Variationen, basierend auf nur wenigen First-Principle-Berechnungen, die automatisch durch einen iterativen maschinellen Lernprozess ausgewählt werden, um die Materialien mit den gewünschten Eigenschaften zu finden.

Darüber hinaus kann das neue System im Gegensatz zu herkömmlichen herkömmlichen Methoden erweitert werden, um dynamische Informationen darüber bereitzustellen, wie sich die Oberflächeneigenschaften im Laufe der Zeit unter Betriebsbedingungen ändern, beispielsweise während ein Katalysator aktiv eine chemische Reaktion fördert oder während eine Batterieelektrode aufgeladen wird oder entladen.

Die Methode der Forscher, die sie „Automatic Surface Reconstruction Framework“ nennen, vermeidet die Notwendigkeit, handverlesene Beispiele von Oberflächen zu verwenden, um das in der Simulation verwendete neuronale Netzwerk zu trainieren. Stattdessen beginnt es mit einem einzelnen Beispiel einer makellosen Schnittfläche und nutzt dann aktives Lernen in Kombination mit einer Art Monte-Carlo-Algorithmus, um Standorte für die Probenahme auf dieser Oberfläche auszuwählen, wobei die Ergebnisse jedes Beispielstandorts ausgewertet werden, um die Auswahl des nächsten Standorts zu steuern Websites.

Mithilfe von weniger als 5.000 Ab-initio-Berechnungen aus den Millionen möglicher chemischer Zusammensetzungen und Konfigurationen kann das System genaue Vorhersagen der Oberflächenenergien über verschiedene chemische oder elektrische Potenziale hinweg erhalten, berichtet das Team.

„Wir befassen uns mit der Thermodynamik“, sagt Du, „was bedeutet, dass unter verschiedenen äußeren Bedingungen wie Druck, Temperatur und chemischem Potenzial, die mit der Konzentration eines bestimmten Elements in Zusammenhang stehen können, [we can investigate] Welche Struktur ist für die Oberfläche am stabilsten?“

Im Prinzip erfordert die Bestimmung der thermodynamischen Eigenschaften einer Materialoberfläche die Kenntnis der Oberflächenenergien über eine bestimmte einzelne Atomanordnung hinweg und die anschließende millionenfache Bestimmung dieser Energien, um alle möglichen Variationen zu erfassen und die Dynamik der ablaufenden Prozesse zu erfassen. Obwohl es theoretisch möglich ist, dies rechnerisch zu bewerkstelligen, ist es im typischen Labormaßstab „einfach nicht erschwinglich“, sagt Gómez-Bombarelli.

Den Forschern sei es gelungen, gute Ergebnisse zu erzielen, indem sie nur wenige konkrete Fälle untersuchten, aber das seien nicht genug Fälle, um ein echtes statistisches Bild der beteiligten dynamischen Eigenschaften zu liefern, sagt er.

Mit ihrer Methode sagt Du: „Wir verfügen über neue Funktionen, die es uns ermöglichen, die Thermodynamik verschiedener Zusammensetzungen und Konfigurationen zu untersuchen. Wir zeigen auch, dass wir diese zu geringeren Kosten und mit weniger teuren quantenmechanischen Energiebewertungen erreichen können. Und wir.“ „Das gelingt uns auch bei härteren Materialien“, also auch bei Dreikomponenten-Materialien.

„Traditionell wird auf diesem Gebiet so vorgegangen“, sagt er, „dass Forscher auf der Grundlage ihrer Intuition und ihres Wissens nur ein paar Vermutungsflächen testen. Aber wir führen umfassende Stichproben durch, und das geschieht automatisch.“ Er sagt: „Wir haben einen Prozess verändert, der einst aufgrund der Notwendigkeit menschlicher Intuition unmöglich oder äußerst anspruchsvoll war. Jetzt benötigen wir nur noch minimale menschliche Eingaben. Wir stellen einfach die makellose Oberfläche bereit, und unser Werkzeug erledigt den Rest.“

Dieses Tool bzw. dieser Satz von Computeralgorithmen namens AutoSurfRecon wurde von den Forschern kostenlos zur Verfügung gestellt, sodass es heruntergeladen und von allen Forschern auf der Welt verwendet werden kann, um beispielsweise bei der Entwicklung neuer Materialien für Katalysatoren zu helfen, etwa für den Produktion von „grünem“ Wasserstoff als alternativer emissionsfreier Kraftstoff oder für neue Batterie- oder Brennstoffzellenkomponenten.

Gómez-Bombarelli sagt beispielsweise, dass bei der Entwicklung von Katalysatoren für die Wasserstoffproduktion „ein Teil des Problems darin besteht, dass nicht wirklich verstanden wird, wie sich ihre Oberfläche von ihrer Masse unterscheidet, wenn der Katalysezyklus stattfindet.“ Es gibt also eine Diskrepanz zwischen dem Aussehen des Materials wie zum Beispiel, wenn es verwendet wird und wie es aussieht, wenn es vorbereitet wird, bevor es in die Tat umgesetzt wird.“

Er fügt hinzu, dass „letztendlich bei der Katalyse die Einheit, die dafür verantwortlich ist, dass der Katalysator etwas bewirkt, ein paar freiliegende Atome auf der Oberfläche sind, daher ist es wirklich sehr wichtig, wie genau die Oberfläche im Moment aussieht.“

Eine weitere mögliche Anwendung ist die Untersuchung der Dynamik chemischer Reaktionen, die zur Entfernung von Kohlendioxid aus der Luft oder aus Kraftwerksemissionen eingesetzt werden. Bei diesen Reaktionen kommt häufig ein Material zum Einsatz, das als eine Art Schwamm zur Absorption von Sauerstoff fungiert und so den Kohlendioxidmolekülen Sauerstoffatome entzieht und Kohlenmonoxid zurücklässt, das ein nützlicher Brennstoff oder chemischer Rohstoff sein kann. Die Entwicklung solcher Materialien „erfordert ein Verständnis darüber, was die Oberfläche mit den Sauerstoffatomen macht und wie sie strukturiert ist“, sagt Gómez-Bombarelli.

Mit ihrem Werkzeug untersuchten die Forscher die atomare Oberflächenanordnung des Perowskit-Materials Strontiumtitanoxid (SrTiO3), die bereits seit mehr als drei Jahrzehnten von anderen mit konventionellen Methoden analysiert, aber immer noch nicht vollständig verstanden wurde. Sie entdeckten zwei neue Anordnungen der Atome auf seiner Oberfläche, über die bisher nicht berichtet wurde, und sie gehen davon aus, dass es unwahrscheinlich ist, dass eine der bisher gemeldeten Anordnungen überhaupt auftritt.

„Das unterstreicht, dass die Methode ohne Intuitionen funktioniert“, sagt Gómez-Bombarelli. „Und das ist gut so, denn manchmal ist die Intuition falsch und es stellt sich heraus, dass das, was die Leute dachten, nicht der Fall ist.“ Dieses neue Tool, sagte er, werde es den Forschern ermöglichen, stärker zu forschen und ein breiteres Spektrum an Möglichkeiten auszuprobieren.

Nachdem ihr Code nun der breiten Community zugänglich gemacht wurde, sagt er, „hoffen wir, dass er anderen Benutzern als Inspiration für sehr schnelle Verbesserungen dienen wird“.

Zum Team gehörte James Damewood, ein Ph.D. Studentin am MIT, Jaclyn Lunger Ph.D., die jetzt bei Flagship Pioneering arbeitet, und Reisel Millan, ein ehemaliger Postdoktorand, der jetzt am Institut für Chemische Technologie in Spanien ist.

Diese Geschichte wurde mit freundlicher Genehmigung von MIT News erneut veröffentlicht (web.mit.edu/newsoffice/), eine beliebte Website mit Neuigkeiten über MIT-Forschung, Innovation und Lehre.