Wissenschaftler nutzen KI, um neue Materialien für die Kohlenstoffabscheidung zu identifizieren

Generative KI-Techniken, maschinelles Lernen und Simulationen bieten Forschern neue Möglichkeiten, umweltfreundliche metallorganische Gerüstmaterialien zu identifizieren.

Die Kohlenstoffabscheidung ist eine entscheidende Technologie zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen von Kraftwerken und anderen Industrieanlagen. Allerdings muss noch ein geeignetes Material für eine effektive Kohlenstoffabscheidung zu geringen Kosten gefunden werden. Ein Kandidat sind metallorganische Gerüste oder MOFs. Dieses poröse Material kann Kohlendioxid selektiv absorbieren.

MOFs enthalten drei Arten von Bausteinen in ihren Molekülen: anorganische Knoten, organische Knoten und organische Linker. Diese können in verschiedenen relativen Positionen und Konfigurationen angeordnet werden. Daher gibt es unzählige potenzielle MOF-Konfigurationen, die Wissenschaftler entwerfen und testen können.

Um den Entdeckungsprozess zu beschleunigen, verfolgen Forscher des Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) mehrere Wege. Eine davon ist die generative künstliche Intelligenz (KI), um bisher unbekannte Bausteinkandidaten auszudenken. Eine andere ist eine Form der KI namens maschinelles Lernen. Ein dritter Weg ist ein Hochdurchsatz-Screening von Kandidatenmaterialien. Das letzte sind theoriebasierte Simulationen mit einer Methode namens Molekulardynamik.

An diesem Projekt beteiligen sich an Argonne Forscher des Beckman Institute for Advanced Science and Technology an der University of Illinois Urbana-Champaign (UIUC), der University of Illinois at Chicago und der University of Chicago.

Die Entwicklung von MOFs mit optimaler Kohlenstoffselektivität und -kapazität ist eine große Herausforderung. Bisher war das MOF-Design auf sorgfältige experimentelle und rechnerische Arbeit angewiesen. Dies kann kostspielig und zeitaufwändig sein.

Durch die Erkundung des MOF-Designraums mit generativer KI konnte das Team innerhalb von 30 Minuten Baustein für Baustein schnell über 120.000 neue MOF-Kandidaten zusammenstellen. Sie führten diese Berechnungen auf dem Polaris-Supercomputer der Argonne Leadership Computing Facility (ALCF) durch.

Anschließend wandten sie sich an den Delta-Supercomputer der UIUC, um zeitintensive Molekulardynamiksimulationen durchzuführen und dabei nur die vielversprechendsten Kandidaten zu verwenden. Ziel ist es, sie auf Stabilität, chemische Eigenschaften und Fähigkeit zur Kohlenstoffbindung zu untersuchen. Delta ist eine gemeinsame Initiative von Illinois und seinem National Center for Supercomputing Applications.

Der Ansatz des Teams könnte es Wissenschaftlern letztendlich ermöglichen, genau die allerbesten MOF-Anwärter zu synthetisieren. „Die Menschen denken seit mindestens zwei Jahrzehnten über MOFs nach“, sagte der Argonne-Informatiker Eliu Huerta, der die Studie mitgeleitet hat. „Die traditionellen Methoden umfassten typischerweise experimentelle Synthese und Computermodellierung mit Molekulardynamiksimulationen. Aber der Versuch, die riesige MOF-Landschaft auf diese Weise zu untersuchen, ist einfach unpraktisch.“

Dem Team werden bald noch fortschrittlichere Computer zur Verfügung stehen. Mit der Leistung des Aurora-Exascale-Supercomputers des ALCF könnten Wissenschaftler Milliarden von MOF-Kandidaten auf einmal untersuchen, darunter viele, die noch nie zuvor vorgeschlagen wurden.

Darüber hinaus lässt sich das Team chemisch von früheren Arbeiten zum molekularen Design inspirieren, um neue Wege zu entdecken, wie die verschiedenen Bausteine ​​eines MOF zusammenpassen könnten.

„Wir wollten den von uns entworfenen MOFs neue Geschmacksrichtungen hinzufügen“, sagte Huerta. „Wir brauchten neue Zutaten für das KI-Rezept.“ Der Algorithmus des Teams kann MOFs für die Kohlenstoffabscheidung verbessern, indem er die Chemie aus experimentellen Datensätzen der Biophysik, Physiologie und physikalischen Chemie lernt, die bisher nicht für das MOF-Design berücksichtigt wurden.

Für Huerta verspricht der Blick über traditionelle Ansätze ein transformatives MOF-Material – eines, das sich gut für die Kohlenstoffabscheidung eignet, kostengünstig und einfach herzustellen ist.

„Wir verbinden jetzt generative KI, Hochdurchsatz-Screening, Molekulardynamik und Monte-Carlo-Simulationen in einem eigenständigen Arbeitsablauf“, sagte Huerta. „Dieser Arbeitsablauf beinhaltet Online-Lernen unter Nutzung früherer experimenteller und computergestützter Forschung, um die Präzision der KI bei der Erstellung neuer MOFs zu beschleunigen und zu verbessern.“

Der durch KI ermöglichte Atom-für-Atom-Ansatz für das MOF-Design wird es Wissenschaftlern ermöglichen, das zu erreichen, was Ian Foster, leitender Wissenschaftler bei Argonne und Leiter der Abteilung Data Science and Learning, eine „breitere Linse“ für diese Art von porösen Strukturen nannte.

„Es wird daran gearbeitet, dass wir für die neuen KI-montierten MOFs, die vorhergesagt werden, Erkenntnisse aus autonomen Labors einbeziehen, um ihre Fähigkeit zur Synthese und ihre Fähigkeit zur Kohlenstoffbindung experimentell zu validieren“, sagte Foster. „Mit der Feinabstimmung des Modells werden unsere Vorhersagen immer besser.“

Ein auf der Studie basierender Artikel wurde von Hyun Park, Xiaoli Yan, Ruijie Zhu, Eliu Huerta, Santanu Chaudhuri, Donny Copper, Ian Foster und Emad Tajkhorshid verfasst. Es erschien in der Online-Ausgabe von Kommunikationschemie.

„Die Studie zeigt das große Potenzial des Einsatzes KI-basierter Ansätze in den Molekularwissenschaften“, sagte Tajkhorshid von der UIUC. „Wir hoffen, den Anwendungsbereich des Ansatzes auf Probleme wie biomolekulare Simulationen und Arzneimitteldesign auszuweiten.“

„Diese Arbeit ist ein Beweis für die Zusammenarbeit zwischen Doktoranden und Nachwuchswissenschaftlern verschiedener Institutionen, die zusammengekommen sind, um an diesem wichtigen KI-Projekt für die Wissenschaft zu arbeiten“, sagte Huerta. „Die Zukunft bleibt rosig, da wir weiterhin talentierte junge Wissenschaftler inspirieren und uns von ihnen inspirieren lassen.“