Corning Incorporated senior forskare Ying Shi (vänster) använder neutronspridning för att förstå korrelationen mellan struktur och egenskap i glas för att skapa nya kompositioner. Hennes son, Albert Song (höger), skrev dataanalyskod för sitt projekt och följde med henne på ett nyligen besök på Spallation Neutron Source. Kredit:Genevieve Martin/Oak Ridge National Laboratory, USA:s energidepartement.
Forskare är framför allt problemlösare.
Senior forskare Ying Shi med Corning Incorporated är inget undantag. Hennes forskning fokuserar på att förstå korrelationen mellan struktur och egenskaper hos glas för att utveckla nya kompositioner skräddarsydda för en rad olika tillämpningar. Hon använder ofta neutronspridning vid Department of Energys (DOE:s) Oak Ridge National Laboratory (ORNL) för att få insikter i otaliga glasprover i atomär skala.
Att förstå hur atomstrukturen hos olika typer av glas korrelerar med deras egenskaper är viktigt för många hemelektronik. Till exempel, täckglaset som används i personlig elektronik som mobiltelefoner måste vara tillräckligt hårt för att motstå sprickbildning, medan glaspanelen på en platt-TV måste uppvisa minimala dimensionsförändringar för att säkerställa hög upplösning då den genomgår värmebehandlingar under tillverkningsprocessen.
"Det är ett extremt tufft och viktigt problem att verkligen förstå atomstrukturen hos silikatglas och hur deras strukturer korrelerar med deras egenskaper, "Shi sade. "Vi förlitar oss på stora datamängder för att dechiffrera korrelationen struktur-egendom."
Det är därför varje gång Ying kommer till ORNL:s Spallation Neutron Source för att använda NOMAD-instrumentet, hon mäter närmare 100 glasprover som har systematiskt varierade sammansättningar och olika behandlingar.
Glasstrukturen skiljer sig från kristallina material. Medan atomerna i kristallina material är ordnade på ett ordnat sätt enligt symmetri och periodicitet – vilket ger dem det material som forskare kallar långdistansordning – har glas endast kort- och medeldistansordning.
"Medellång ordning, den viktigaste strukturella parametern för att bestämma glasegenskaper, kan avslöjas av den första skarpa diffraktionstoppen för neutronens totala spridning, " sa Shi.
Shis nuvarande experiment på NOMAD-instrumentet vid ORNL:s Spallation Neutron Source (SNS) gör det möjligt för henne att korrelera strukturella data från medelhög ordning som samlats in på hennes prover med många egenskaper inklusive hårdhet och termisk expansionskoefficient.
Vad är extra speciellt med dessa experiment, hon säger, är att de innehåller kod skriven av hennes tonårsson. Shis son, Albert, som var praktikant på Corning i somras, var bara 14 år gammal när han först skrev koden för sin mammas dataanalys.
Nu 16, Albert säger att han redan hade lärt sig att koda i C# med sin pappa när hans mamma upptäckte att hon inte kunde anlita en professionell kodare för att behandla hennes hundratals datafiler eftersom hennes projekt, i den utforskande fasen, hade inte budgeterat för en.
"Det kan ha tagit ett år för henne att ansöka om finansiering för professionell kodning, och hon ville påskynda processen och jag ville hjälpa, ", förklarade Albert. "Koden bearbetar i princip de råa neutronstrållinjedata och utför olika matematiska behandlingar på den första skarpa diffraktionstoppen, vilket gör det möjligt för oss att härleda strukturell information på medellång räckvidd i glaset."
Shi tillägger att innan Albert utvecklade koden, hon var tvungen att behandla varje datafil från sina experiment med två kommersiellt tillgängliga mjukvarupaket, men de kunde inte kommunicera med varandra.
"Jag brukade göra en del behandling själv och sedan mata ut data manuellt och sedan manuellt mata in den i den andra programvaran, " Hon sa.
Varje datafil tog en halvtimme att analysera med denna metod, och hon visste att det inte skulle vara hållbart för hundratals datafiler och omöjligt om hon ville optimera anpassningsparametrarna.
Shi säger att Alberts kod låter henne bearbeta 20 datafiler på mindre än 30 sekunder, istället för att ta en halvtimme för 1 fil, och hon kan justera parametrar lättare och få bättre resultat.
ORNL har gått med på att vara värd för Alberts kod på sin GitHub, en mjukvaruutvecklingsplattform med öppen källkod, och RingFSDP, en ny metod Shi utvecklade från sin sons kod, är nu tillgänglig för att gynna glasforskningssamhället. Hon publicerade nyligen en artikel om RingFSDP.
"Att vara värd för det på vårt arkiv här på ORNL gör det tillgängligt för alla. Hosting är också vettigt eftersom NOMAD-teammedlemmar var involverade i kodens utveckling och är med i publikationen, och vi är värd för mycket kod utvecklad antingen enbart på ORNL eller i samarbete med externa enheter, " sade neutrondiffraktionsgruppledaren Matthew Tucker.
Albert har fortsatt att förbättra sin ursprungliga kod, och han skrev ytterligare två koder under sin praktik i Corning som han planerar att dela med ORNL.
