Koppla datorautomation med en bläckstråleskrivare som ursprungligen användes för att skriva ut t-shirtdesigner, forskare vid Caltech och Google har utvecklat en metod med hög genomströmning för att identifiera nya material med intressanta egenskaper. I en provkörning av processen, de undersökte hundratusentals möjliga nya material och upptäckte ett tillverkat av kobolt, tantal, och tenn som har inställbar transparens och fungerar som en bra katalysator för kemiska reaktioner samtidigt som det förblir stabilt i starka sura elektrolyter.

Ansträngningen, beskrivs i en vetenskaplig artikel publicerad i Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ), leddes av John Gregoire och Joel Haber från Caltech, och Lusann Yang från Google. Den bygger på forskning utförd vid Joint Center for Artificial Photosynthesis (JCAP), en Department of Energy (DOE) Energy Innovation Hub på Caltech, och fortsätter med JCAP:s efterträdare, Liquid Sunlight Alliance (LiSA), en DOE-finansierad insats som syftar till att effektivisera de komplicerade steg som behövs för att omvandla solljus till bränslen, för att göra den processen mer effektiv.

Att skapa nya material är inte så enkelt som att släppa några olika element i ett provrör och skaka det för att se vad som händer. Du behöver de element som du kombinerar för att binda till varandra på atomnivå för att skapa något nytt och annorlunda snarare än bara en heterogen blandning av ingredienser. Med ett nästan oändligt antal möjliga kombinationer av de olika kvadraterna i det periodiska systemet, utmaningen är att veta vilka kombinationer som kommer att ge ett sådant material.

"Materialupptäckt kan vara en dyster process. Om du inte kan förutsäga var du kan hitta de önskade egenskaperna, du kan spendera hela din karriär med att blanda slumpmässiga element och aldrig hitta något intressant, säger Gregoire, forskningsprofessor i tillämpad fysik och materialvetenskap, forskare vid JCAP, och LiSA-teamledare.

När man kombinerar ett litet antal enskilda element, materialvetare kan ofta göra förutsägelser om vilka egenskaper ett nytt material kan ha baserat på dess beståndsdelar. Dock, den processen blir snabbt ohållbar när mer komplicerade blandningar görs.

"Allt mer än två element anses vara "högdimensionella" inom materialvetenskap, " säger Gregoire. "De flesta eller alla en- och tvåmetalloxiderna är redan kända, " säger han. "Den okända gränsen är tre eller fler tillsammans." (Metaloxider är fasta material som innehåller positivt laddade metalljoner, eller katjoner, och negativt laddade syrejoner, eller anjoner; rost, till exempel, är järnoxid.)

De flesta av materialen i jordskorpan är metalloxider, eftersom syret i atmosfären reagerar med olika metaller i jordskorpan. Metalloxidernas miljöstabilitet gör dem praktiskt användbara, förutsatt att specifika sammansättningar av sådana oxider kan identifieras som ger den mekaniska, optisk, elektronisk, och kemiska egenskaper som behövs för en given teknik.

Även om materialforskare har visat hur alla dessa egenskaper kan ställas in genom användning av olika metalloxider, att uppnå de nödvändiga egenskaperna för en viss applikation kan kräva specifika kombinationer av flera element, och att hitta de rätta är en skrämmande utmaning.

För att nå gränsen för tre eller fler metalloxider, Gregoires grupp drog på ett decenniums arbete av JCAP. Där, forskare har utvecklat metoder för att skapa 100, 000 material per dag. Ett sådant material - som upptäcktes i denna studie - producerades genom att använda återanvända bläckstråleskrivare för att "skriva ut" nytt material på glasskivor. Varje kombination av element trycktes som en linje med en gradering av förhållandet mellan dess beståndsdelar och oxiderades sedan vid hög temperatur.

Vart och ett av dessa material skannades sedan och avbildades på Caltech med hjälp av en hyperspektral avbildningsteknik som utvecklats tillsammans med Google som snabbt kan fånga information om materialet genom att registrera hur mycket ljus det absorberar vid nio olika våglängder. "Det är inte en heltäckande analys av materialet, men det är snabbt och ger ledtrådar till kompositionerna med intressanta egenskaper, säger Haber, forskningskemist och materialingenjör vid JCAP och LiSA.

I alla, Caltech-teamet skapade 376, 752 kombinationer av tre metalloxider baserade på 10 metallelement och producerade prover av varje enskild kombination 10 olika gånger för att upptäcka och sålla bort eventuella brister i syntesprocessen. "Trycket kan ha artefakter, vilket är uppoffringen du gör för snabbheten. Analyser från Google lärde oss att göra allt 10 gånger för att bygga upp förtroende för resultaten, " säger Gregoire.

Även om det är ofullkomligt, processen skapar tre metallmaterial ca 1, 000 gånger snabbare än traditionella tekniker som ångavsättning, där det nya materialet beläggs på ett substrat genom att kondensera det från en ånga.

Googles datoringenjörer skapade sedan algoritmer för att bearbeta de hyperspektrala bilderna och sökte efter specifika kompositioner vars optiska egenskaper endast kan förklaras av kemiska interaktioner mellan de tre metallelementen.

"Om de tre elementen interagerar kemiskt för att ge exceptionella optiska egenskaper, deras interaktioner kan också ge upphov till andra exceptionella egenskaper, " förklarar Gregoire. Eftersom tekniken kan identifiera den lilla del av kompositioner som visar bevis på dessa kemiska interaktioner, det minskar också höstacken för materialforskare som letar efter nålar, så att säga.

"Johns labb hade den sortens problem vi drömmer om på Google Applied Science; han kan skriva ut hundratusentals prover på en dag, vilket resulterar i terabyte med bilddata, " säger Google-forskaren Lusann Yang. "Vi var glada över att ha ett nära samarbete med honom i varje steg av detta sexåriga samarbete, hitta platser att använda Googles unika verktygslåda för iterativa experiment på stora mängder bullriga data:designa experiment, felsökning av hårdvara, bearbeta stora mängder bilddata, och skapa fysikinspirerade algoritmer. Resultatet är en experimentell datamängd med unik bredd över många kemiska utrymmen som jag är stolt över att ha öppen källkod."

För att validera sina resultat, Gregoires team på Caltech återskapade materialen som flaggats som "intressanta" med hjälp av fysisk ångavsättning och analyserade dem med röntgendiffraktion, en långsammare men mer grundlig process än hyperspektral avbildning. Denna typ av validering avslöjade att den automatiserade högkapacitetsprocessen var mer skicklig på att upptäcka nya material än en grundlig analys av hyperspektrala data av en mänsklig vetenskapsman.

De PNAS uppsatsen har titeln "Upptäckt av komplexa oxider via automatiserade experiment och datavetenskap."