Forskare vid University of Southampton som arbetar med kollegor vid University of Liverpool har utvecklat en ny metod som har potential att revolutionera sättet vi söker efter, designa och producera nya material.

Forskarna använde sofistikerad datormodellering för att kartlägga hur molekyler samlas och kristalliseras för att bilda nya material - varje molekyl leder till en myriad av möjliga strukturer, var och en med olika egenskaper och möjliga tillämpningar.

Detta nya tillvägagångssätt, publicerad i tidningen Natur , kan påskynda upptäckten av material för viktiga applikationer inom energi, föroreningskontroll, läkemedel och en mängd andra områden.

"När en ingenjör bygger en damm eller ett flygplan, strukturen designades först med hjälp av datorer. Detta är extremt svårt i storleksskalan för molekyler eller atomer, som ofta monteras på icke-intuitiva sätt, "förklarar Graeme Day, professor i kemisk modellering vid University of Southampton. "Det är svårt att designa i atomskala från grunden och misslyckandet i upptäckt av nya material är högt. Eftersom kemister och fysiker försöker upptäcka nya material, vi känner oss ofta som upptäcktsresande utan tillförlitliga kartor. "

Professor Andrew Cooper, Direktör för Materials Innovation Factory vid University of Liverpool, fortsätter:"Varje molekyl har en associerad energiyta, som du kan tänka dig som en karta över en öde ö. Vissa öar innehåller skatter i form av nyttigt nytt material, men de flesta gör det inte. Det finns ett nästan obegränsat antal molekyler som vi kunde, i princip, gör - den här nya metoden berättar vilka öar vi ska söka och vad vi ska leta efter. "

Till skillnad från ingenjörer, kemister är inte riktigt fria att skapa vilken struktur de vill:de är begränsade till att upptäcka strukturer som motsvarar atomernas optimerade positioner - kända som lokala minima - på en mycket komplex energiyta. Denna yta kan endast representeras fullt ut i många dimensioner, så det går inte att enkelt förstå.

Dock, Storbritanniens team har kombinerat metoder som förutsäger hur molekyler kommer att bilda kristallstrukturer, med datorsimuleringar som förutsäger egenskaperna hos dessa strukturer. Resultatet är relativt enkla färgkodade kartor som kan användas, av forskare utan beräkningsmässig bakgrund, för att hitta det bästa materialet för specifika applikationer. Till exempel, en forskare som försöker skapa ett mycket poröst material för att lagra en viss gas kan använda kartan för att identifiera de bästa molekylerna som optimerar denna egenskap.

I de simuleringar som markeras i deras papper, forskarna tillämpade detta nya tillvägagångssätt på en rad kända och hypotetiska molekyler, vilket ledde till upptäckten och syntesen av material med stor metanlagringskapacitet, som har konsekvenser för naturgasdrivna fordon. Forskningen ledde också till syntesen av den minst täta molekylära kristallen som någonsin har skapats, visar hur beräkningsmetoder kan användas för att upptäcka egenskaper utan motstycke.