Forskare vid Aalto University och Cambridge University har gjort ett betydande genombrott inom beräkningsvetenskap genom att kombinera modellering på atomnivå och maskininlärning. För första gången, metoden har använts för att realistiskt modellera hur ett amorft material bildas på atomnivå:det vill säga, ett material som inte har en vanlig kristallin struktur. Tillvägagångssättet förväntas ha inverkan på forskningen av många andra material.

"Hemligheten bakom vår framgång är maskininlärning, genom vilken vi kan modellera beteendet hos tusentals atomer under långa tidsperioder. På det här sättet, vi har fått en mer exakt modell, " förklarar postdoktorn Miguel Caro.

Teamets simuleringar avslöjar att diamantliknande kolfilm bildas på atomnivå på ett annat sätt än man trodde. Den rådande förståelsen under de senaste 30 åren av bildningsmekanismen för amorf kolfilm har baserats på antaganden och indirekta experimentella resultat. Varken en bra eller ens en adekvat modell på atomnivå har varit tillgänglig hittills. Den nya metoden har nu kullkastat de tidigare kvalitativa modellerna och gett en exakt bild på atomnivå av bildningsmekanismen.

"Tidigare, amorfa kolfilmer troddes bildas när atomer packas ihop i en liten yta. Vi har visat att mekaniska stötvågor kan orsaka bildandet av diamantliknande atomer längre bort från den punkt där de träffande atomerna träffar målet, rapporterar Caro, som utförde simuleringarna på CSC (IT Center for science) superdatorer, modellera avsättningen av tiotusentals atomer.

Resultaten öppnar stora nya vägar för forskning

Det finns otaliga olika användningsområden för amorft kol. Den används som beläggning i många mekaniska tillämpningar, som bilmotorer, till exempel. Dessutom, materialet kan även användas för medicinska ändamål och i olika energirelaterade, biologiska och miljömässiga tillämpningar.

"För oss, den viktigaste tillämpningen är biosensorer. Vi har använt mycket tunna amorfa kolbeläggningar för att identifiera olika biomolekyler. I dessa applikationer, det är särskilt viktigt att känna till filmernas elektriska, kemiska och elektrokemiska egenskaper och för att kunna skräddarsy materialet för en viss applikation, " förklarar professor Tomi Laurila.

Dr Volker Deringer, en Leverhulme Early Career Fellow, är särskilt glada över att använda dessa metoder för amorfa material.

"Gruppen har varit en stor framgång, avslutar Deringer och Caro, som fortsätter samarbetet mellan sina institutioner genom pågående besök. Teamet förväntar sig att deras tillvägagångssätt kommer att hjälpa många andra i experimentell materialforskning, eftersom det kan ge information om material med en precisionsnivå nära den för kvantmekaniska metoder, men samtidigt kan använda tusentals atomer och långa simuleringstider. Båda dessa är oerhört viktiga för en realistisk bild av processerna i experiment.

"Jag är särskilt upphetsad över de typer av möjligheter som denna metod erbjuder för vidare forskning. Denna modell på atomnivå producerar verifierbart korrekta resultat som överensstämmer exceptionellt väl med de experimentella resultaten, avslöjar också för första gången fenomenen på atomnivå bakom resultaten. Med hjälp av modellen, vi kan, till exempel, förutsäga vilken typ av kolyta som skulle vara bäst för att mäta signalsubstanserna dopamin och serotonin, säger Laurila.