Forskare vid University of Texas i Austin undersöker hur molekylära simuleringar med de senaste optimeringsstrategierna kan skapa ett mer systematiskt sätt att upptäcka nya material som uppvisar specifika, önskade egenskaper.

Mer specifikt, de gjorde det genom att omarbeta designmålet till det mikroskopiska, frågar vilka interaktioner mellan ingående partiklar som kan få dem att spontant "självmontera" till ett bulkmaterial med en speciell egenskap. För att hitta svaret, rapporterade denna vecka i Journal of Chemical Physics , de bestämde sig för att ta reda på hur kompositpartiklar organiserar sig rumsligt.

"Vår tekniska inspiration kom från ett helt annat forskningsfält - modellering och simulering av biomolekyler, sa Thomas Truskett, en professor vid McKetta-avdelningen för kemiteknik och medförfattare till arbetet. "Experter inom det området hade utvecklat en rad verktyg för att använda molekylära simuleringar för att "lära sig" vilka interaktioner med förenklade modeller som kunde reproducera de utsökta strukturella egenskaperna hos stora biomolekyler."

De insåg att denna modelleringsmetod kunde användas för att identifiera enklare interpartikelinteraktioner som spontant skulle självmontera i de mer komplexa strukturerna.

"Självmontering är ett fenomen genom vilket partiklar, som atomer och molekyler, organiserar sig spontant i komplexa flerdimensionella arkitekturer, ", sa Truskett. "Att frysa vatten - att kristallisera det - är ett vardagligt exempel, och sättet på vilket vattenmolekyler ordnar sig under föreskrivna yttre förhållanden dikteras av deras interaktioner eller krafter."

För att utöka möjligheterna till självmontering, gruppen undersökte en annan klass av partiklar som kallas "kolloider, " som vanligtvis hänvisar till större molekyler eller nanopartiklar suspenderade i en vätska.

"[Kolloider är] intressanta för självmontering och skiljer sig från sina mindre atomära och molekylära kusiner eftersom deras interaktioner är mycket avstämbara, sa Ryan Jadrich, en postdoktor vid McKetta-avdelningen för kemiteknik. "Genom att noggrant skräddarsy kolloidala partikelinteraktioner, vi kan utöva oöverträffad kontroll över de mikroskopiska organisatoriska detaljerna för att i hög grad påverka bulkmaterialegenskaper."

Framåtdesign har varit de facto-metoden för teknisk självmontering i många år.

"I en mycket förenklad tolkning, framåtriktad design går ut på att tillverka partiklar med nya interaktioner och sedan kontrollera för att se vad de sätts ihop till - förhoppningsvis något önskvärt, ", sa Truskett. "Forskarnas fysiska intuition kan hjälpa till att påskynda processen att förverkliga önskat material, men detta tillvägagångssätt är kostsamt ur ett tidsperspektiv och kräver en viss grad av tur eller stora kostnader."

Omvänd design, som gruppens arbete tar upp, bokstavligen försöker problemet omvänt.

"Mänskliga forskare gör det de är bra på:föreställa sig nya och användbara partikelarkitekturer. Och datorer gör det de är bra på:att lösa komplexa optimeringsproblem, sa Jadrich.

Enligt Truskett, en av de främsta fördelarna med den nya omvända designmetoden är att den tillhandahåller ett mycket allmänt ramverk som kan tillämpas för att inrikta sig på självmontering av kristallina eller flytande material "i farten".

"[T]metoden 'lär sig' allt den behöver eftersom relevant data naturligt kommer från en iterativ, simuleringsdrivet ramverk, ", sade han. "En intressant följd är att ingen förkompilerad hjälpdatabas med information krävs – sådana datalager var en oönskad förutsättning för tidigare kristallinversdesignmetoder."

De sammanställde beräkningsmässigt några rent spännande partikelarkitekturer, inklusive en som beskrivs som "schweizerost".

"I detta fall, vi upptäckte interaktioner som fick partiklar att själva montera ihop till en matris som omger sfäriska hål, a.k.a. porer eller håligheter, " sa Truskett. "Anmärkningsvärt nog, dessa porer ordnas i ett kristallint arrangemang, medan de mindre "riktiga" partiklarna förblev i en oordnad, flytande tillstånd som sipprar runt porerna."

Även om invers design är ett relativt ungt och aktivt forskningsområde, framsteg görs redan mot ett allmänt och praktiskt användbart ramverk, enligt Jadrich, där deras arbete representerar en ny strategi. Invers design är en del av en framväxande trend över vetenskapliga discipliner, med hjälp av beräkningsmaskininlärning och statistisk interferens för att påskynda upptäckten.

"Omvänd design möjliggör upptäckten av mycket mer komplexa material, på datorer, än någonsin tidigare, och det här är en trend vi tror kommer att fortsätta, ", sa han. "Sådana verktyg kommer inte snart att ersätta mänskliga forskare, men tillåta forskare att fokusera på andra, ofta mer intressanta uppgifter som kräver kreativ design. Största delen av arbetet, vilket går ut på att reta ut subtila detaljer, hitta mönster, eller utföra komplexa beräkningar, kan nu degraderas till automatisering."