أفكار من شأنها أن تغير عالمنا – الحلم في المادة / جاربراند سيدر وكريستين بيرسون

عشر طرق يمكن للعلم من خلالها تغيير العالم - من بناء مواد جديدة ذرة بعد ذرة إلى روبوتات تشبه الديدان والأخطبوطات

- الامراض / دينا باين مارون

- شاشات العرض الإلكترونية / تشارلز ك. تشوي

- دواء / ديزي جوهاس

- الحوسبة في السحابة / تشارلز ك. تشوي

- الميكروبيوم / كاثرين هارمون الشجاعة

- المواد الفوقية / لي بيلينغز

- الروبوتات الناعمة / لاري جرينماير

- مواد خفيفة للغاية / ماريسا فيسيندين

- تخزين الكربون / ديف ليفيتان

_________________________________________________________________________________

الحلم في المادة / جاربراند سيدر وكريستين بيرسون

يقوم العلماء ببناء مواد جديدة ذرة بذرة، باستخدام أجهزة الكمبيوتر العملاقة والمعادلات الكمومية، قبل إجراء حتى تجربة واحدة

في عام 1878، قرر توماس إديسون إعادة اختراع الإضاءة الكهربائية. لتطوير مصابيح كهربائية صغيرة مناسبة للاستخدام المنزلي، كان عليه العثور على عامل انبعاث للضوء يدوم طويلاً، وينبعث منه القليل من الحرارة ويستهلك القليل من الكهرباء. بدأ إديسون، مسترشدًا بالحدس بشكل أساسي، في فحص آلاف المواد الكربونية: خشب البقس، وقشور جوز الهند، وشعر لحية مساعد مختبره. وبعد 14 شهرًا سجل براءة اختراع لمصباح كهربائي بفتيل مصنوع من فتيل القطن المتفحم. بشرت الصحافة باختراعه بعبارة "إنجاز هائل لمخترع عظيم للإضاءة الكهربائية". ولكن كانت هناك مواد أفضل للخيوط. وفي بداية القرن العشرين، ابتكر مخترع أمريكي آخر خيطًا من معدن التنغستن، والذي لا نزال نستخدمه حتى اليوم. كان خيط القطن الذي صنعه إديسون تاريخاً.

لقد قطع علم المواد، الذي يتعامل مع المواد "الهندسية" إلى أشكال جديدة ومفيدة، شوطا طويلا منذ أيام إديسون. أعطت ميكانيكا الكم العلماء فهمًا أعمق لسلوك المادة، ونتيجة لذلك أيضًا قدرة أفضل على إقامة الأبحاث على النظرية العلمية بدلاً من الفرضيات. ومع ذلك، لا يزال تطوير المواد عملية طويلة ومكلفة للغاية. تستثمر الشركات المليارات في تصميم مواد جديدة، لكن قصص النجاح قليلة ومتباعدة. ويفكر الباحثون في أفكار جديدة تعتمد على الحدس والخبرة؛ لكن ترجمة هذه الأفكار إلى لغة عملية واختبارها ينطوي على عملية طويلة وشاقة من التجربة والخطأ. قد يستغرق اختبار مادة جديدة شهورًا، وغالبًا ما تكون النتيجة سلبية. وقد وجد توماس إيجر، زميلنا في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT)، أن الانتقال من مرحلة الاختبارات المعملية إلى مرحلة التطبيق التجاري يستغرق في المتوسط ​​ما بين 15 إلى 20 عامًا، حتى لو كانت مادة ناجحة. على سبيل المثال، عندما أعلنت شركة سوني عن أول بطارية ليثيوم أيون تجارية في عام 1991، بدا الأمر وكأنه قفزة علمية مذهلة إلى الأمام، ولكن في الواقع، كدح المئات أو حتى الآلاف من الباحثين في مجال البطاريات على مدى عقدين من التقدم والفشل المبدئي حتى تم الترحيب بعملهم. كنجاح.

ومع ذلك، فإن علم المواد على وشك الثورة. يمكننا تسخير مائة عام من التطور في الفيزياء وعلوم الكمبيوتر للتقدم إلى ما هو أبعد من عملية أديسون. إن النمو الهائل في قوة معالجة الكمبيوتر، جنبًا إلى جنب مع العمل العلمي لوالتر كوهن والراحل جون بوبيل، اللذين طورا حلولًا بسيطة ولكن دقيقة للمعادلات الكمومية في الستينيات والسبعينيات من القرن العشرين، يسمحان بتصميم مواد جديدة. من الصفر باستخدام أجهزة الكمبيوتر العملاقة واستنادا إلى القوانين الأساسية للفيزياء. تسمى هذه التقنية "تصميم المواد باستخدام أساليب حسابية عالية الإنتاجية"، والفكرة الأساسية بسيطة: استخدام أجهزة الكمبيوتر العملاقة لفحص مئات أو حتى آلاف المركبات الكيميائية في نفس الوقت تقريبًا، وتحديد موقع أفضل العناصر الأساسية بسرعة وكفاءة. لإنشاء مادة جديدة، سواء كان ذلك قطبًا كهربائيًا للبطارية أو في سبيكة معدنية وما إذا كان نوعًا جديدًا من أشباه الموصلات.

تتكون معظم المواد من عدد كبير من المركبات الكيميائية. وتُعد أقطاب البطارية، المصنوعة من عدة مركبات، مثالًا جيدًا على ذلك. ولكن هناك أيضًا مواد أبسط بكثير. الجرافين، الذي غالبًا ما يتم الحديث عنه باعتباره مادة مستقبل الإلكترونيات، هو في الواقع عبارة عن ورقة من الكربون يبلغ سمكها ذرة واحدة. بغض النظر عن مدى تعقيد المادة، هناك شيء واحد صحيح دائمًا: خصائصها، وقابليتها للانضغاط، وصلابتها، وبريقها، وموصليتها الكهربائية، تتحدد من خلال الخصائص الكمية للذرات التي صنعت منها. لذلك، فإن الخطوة الأولى في تصميم المواد باستخدام أساليب حسابية عالية الإنتاجية هي "تنمية" مواد جديدة افتراضيًا من خلال آلاف الحسابات المستندة إلى ميكانيكا الكم. ينظم الكمبيوتر العملاق الذرات الافتراضية في مئات أو آلاف الهياكل البلورية. بعد ذلك، نقوم بحساب خصائص هذه المركبات الافتراضية. كيف تبدو الهياكل البلورية؟ ما مدى صلابة هم؟ هل يمتصون الضوء؟ ماذا يحدث عند تطبيق القوة عليهم؟ هل هي موصلة للكهرباء والحرارة أم أنها عازلة؟ نوجه الكمبيوتر للعثور على مركبات ذات خصائص مرغوبة فريدة، وفي وقت قصير يتم اكتشاف مركبات واعدة. وفي نهاية العملية، يتم نقل البيانات التي تم جمعها أثناء البحث إلى قاعدة بيانات، حيث يمكن للباحثين الآخرين استخراج المعلومات منها في المستقبل.

منذ عام 2011، كنا نقود تعاونًا بين الباحثين، يسمى "مشروع المواد"، والذي يهدف إلى تسريع ثورة المواد المحوسبة. تم تصميم المشروع لإنشاء قواعد بيانات يمكن الوصول إليها مجانًا والتي ستتضمن الخصائص الديناميكية الحرارية والإلكترونية الأساسية لجميع المركبات غير العضوية المعروفة. حتى الآن، قمنا بحساب الخصائص الأساسية (تنظيم البنية البلورية، والتوصيل الكهربائي، وانتقال الضوء، وما إلى ذلك) لجميع المواد غير العضوية المعروفة الموجودة في الطبيعة والتي يبلغ عددها 35,000 تقريبًا. وبنفس الطريقة قمنا أيضًا بمراجعة خصائص عدة آلاف من المواد الأخرى التي لا توجد إلا من الناحية النظرية. وحتى الآن، قام حوالي 5,000 عالم بالتسجيل للوصول إلى قاعدة البيانات حيث سيتم تخزين هذه المعلومات، ويستخدمونها لتصميم مواد جديدة للخلايا الشمسية والبطاريات وغيرها من التقنيات.

فريق البحث لدينا ليس وحده في اعتماد هذا النهج. قامت مجموعة من الباحثين بقيادة ستيفانو كورترولو من جامعة ديوك بحساب خصائص عشرات الآلاف من السبائك؛ ويمكن أن تساعد الأبحاث التي أجراها في إنتاج هياكل السيارات، والعوارض لبناء ناطحات السحاب، والأجزاء الخارجية للطائرات وغيرها، وكلها أخف وزنا وأقوى من تلك المستخدمة حاليا. كجزء من مشروع المعلوماتية الكمومية للمواد، الذي أجراه باحثون من مختبر أرجون الوطني الأمريكي، من جامعة ستانفورد ومن الجامعة التقنية في الدنمارك، يتم تطبيق أساليب حسابية عالية الإنتاجية لدراسة العمليات التحفيزية على الأسطح المعدنية، وقد أدى ذلك إلى استخداما قيما، وخاصة في البحوث في مجال الطاقة.

وفي المستقبل القريب جدًا، سيتمكن علماء المواد من استخدام أساليب حسابية عالية الإنتاجية لتصميم أي شيء تقريبًا. ونحن نعتقد أن هذا سيؤدي إلى تطوير التكنولوجيات التي ستعيد تشكيل عالمنا: الاختراقات التي من شأنها تغيير وجه الحوسبة، والقضاء على التلوث البيئي، وخلق طاقة نظيفة وفيرة، وتحسين حياتنا بطرق يصعب تخيلها اليوم.

جينوم المادة

يعتمد العالم الحديث على نجاح علم المواد. أدى إنشاء زجاج موصل شفاف إلى تطوير شاشات اللمس في هواتفنا الذكية. وتستطيع تلك الأجهزة نقل المعلومات حول العالم بسرعة الضوء بفضل علماء المواد الذين اكتشفوا طريقة لإنتاج الزجاج دون تلويث الأيونات، والذي يعتمد عليه اتصال الألياف الضوئية. علاوة على ذلك، فإن هذه الهواتف قادرة على العمل طوال اليوم دون إعادة الشحن بفضل أكاسيد تخزين الليثيوم، التي طورها مهندسو المواد في السبعينيات والثمانينيات، والتي تعمل كأساس لبطارية أيون الليثيوم.

ائتمان: مارك هايدوك

لقد كان البحث الذي أجريناه حول موضوع البطاريات هو الذي قادنا إلى تصميم المواد باستخدام أساليب حسابية عالية الإنتاجية. لقد كرسنا أفضل سنوات حياتنا المهنية لهذا الأمر، ولكن حتى ناقشنا هذه القضية، في عام 2005، مع كبار المسؤولين التنفيذيين في شركة بروكتر آند جامبل، لم تكن لدينا أي فكرة عما يمكن إنتاجه بمساعدة أقوى أجهزة الكمبيوتر العملاقة في العالم. وقت طويل بما فيه الكفاية للكمبيوتر. أراد العاملون في الشركة العثور على مادة أفضل لكاثود البطاريات القلوية التي تنتجها شركة دوراسيل، قسم البطاريات في الشركة. لقد سألونا سؤالاً مفاجئًا: "هل من الممكن إجراء مسح ضوئي للملف؟ جميع المركبات المعروفة للعثور على مواد أفضل؟ عندما فكرنا في الأمر أدركنا أن العوائق الحقيقية الوحيدة كانت وقت الكمبيوتر والمال، وكانوا سعداء بتزويدنا بكليهما. لقد قاموا بتمويل المشروع بمليون دولار ومنحوا فريقنا الصغير إمكانية الوصول مجانًا إلى مركز الكمبيوتر العملاق التابع للشركة.

خلال هذا المشروع، الذي أطلقنا عليه اسم "مشروع القلوية"، قمنا بمراجعة 130,000 ألف مركب، سواء تلك الموجودة في الطبيعة أو الافتراضية، وأنتجنا للشركة قائمة تضم 200 مركب استوفت المعايير اللازمة وربما كانت أفضل بكثير من المركبات التي كانت تستخدم في البطاريات حتى ذلك الحين. في ذلك الوقت، كنا مقتنعين بالفعل بأن التصميم المادي باستخدام الأساليب الحسابية عالية الإنتاجية هو مستقبل هذا المجال.

قمنا بتعيين موظفين وميزانيات إضافية، وفي عام 2011 أطلقنا التعاون بين معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ومختبر لورانس بيركلي الوطني الأمريكي، في مشروع أطلقنا عليه في البداية "مشروع جينوم المواد". منذ ذلك الحين، انضمت فرق من جامعة كاليفورنيا في بيركلي، وجامعة ديوك، وجامعة ويسكونسن ماديسون، وجامعة كنتاكي، وجامعة لوفين الكاثوليكية في بلجيكا ومؤسسات أخرى إلى المشروع، وكلها تساهم في المشروع. المعلومات التي ينتجونها إلى قاعدة بياناتنا المركزية المجانية والمفتوحة في لورانس بيركلي.

ولم يمض وقت طويل حتى أسقطنا كلمة "جينوم" من اسم المشروع، لتمييزه عن مشروع آخر بدأه مكتب البيت الأبيض لسياسة العلوم والتكنولوجيا. ولكي نكون صادقين، فإن خصائص المركبات الكيميائية ليست في الواقع "جينات"، فهي ليست وحدات من المعلومات الموروثة كتسلسل فريد من البيانات. ومع ذلك، هناك علاقة مباشرة بين وظيفة أو خاصية المادة وخصائصها الأساسية. وكما أنه من الممكن ربط العيون الزرقاء بجين معين، فمن الممكن أن نجد مثلاً مصدر التوصيل الكهربائي لمادة معينة في خواص وطريقة تنظيم العناصر التي تتكون منها .

مثل هذه العلاقات هي أساس علم المواد. إليك مثال بسيط: نحن نعلم أنه يمكن "ضبط" لون المعادن عن طريق خلق عيوب متعمدة في بنيتها البلورية. خذ على سبيل المثال حجر الياقوت. مصدر لونه الأحمر هو التبادل العرضي لأيونات الألومنيوم (Al⁺³) وجدت في اكسيد الالمونيوم المعدنية المشتركة (آل₂O₃) في أيونات الكروم (Cr³⁺) بنسبة 1%. عند إدخال أيونات الكروم إلى هذه البيئة يتغير الترتيب الإلكتروني فيها، وهذا يغير طريقة امتصاص المعدن للضوء وإصداره. بمجرد أن نعرف الأصل المجهري للخاصية (في هذه الحالة، اللون الأحمر للياقوتة)، يمكننا تغييره باستخدام الطرق الاصطناعية. يتيح لنا الضبط المحوسب لهذه العيوب الكيميائية تصميم ياقوتة صناعية جديدة بألوان مخصصة حسب الرغبة.

تزودنا المعادلات الكمومية بالمعلومات اللازمة لإجراء مثل هذه التعديلات: أي العناصر يجب استخدامها وكيفية تنظيمها. ومع ذلك، فإن المعادلات معقدة للغاية بحيث لا يمكن إلا للكمبيوتر معالجتها وحلها. لنفترض أننا نريد اختبار عدة مئات من المركبات لمعرفة أي منها له خصائص معينة مرغوبة. يتطلب الأمر قوة حاسوبية هائلة لمعالجة هذه المعادلات. حتى وقت قريب، كان هذا مستحيلًا، لذلك تقدم علم المواد حتى الآن عن طريق التجربة والخطأ. والآن بعد أن أصبحت القوة الحاسوبية بين أيدينا، يمكننا أخيرًا الاستفادة من القدرات التنبؤية الكاملة لميكانيكا الكم.

لنفترض أننا ندرس مواد كهروحرارية، تنتج تيارًا كهربائيًا عندما تتعرض لتغيرات كبيرة في درجة الحرارة (العكس صحيح أيضًا: المادة الكهروحرارية قادرة على تحمل التغيرات في درجات الحرارة عند مرور تيار كهربائي من خلالها؛ على سبيل المثال: عندما تتعرض للتبريد المتسارع). يهدر المجتمع الحديث كمية هائلة من الحرارة في عمليات الاحتراق والمعالجة الصناعية والتبريد. إذا كان لدينا مواد كهروحرارية فعالة ورخيصة ومستقرة، فيمكننا التقاط هذه الحرارة وإعادة استخدامها ككهرباء. ستكون الأجهزة الحرارية قادرة على تحويل الحرارة الزائدة المنبعثة في العمليات الصناعية إلى كهرباء. يمكن للحرارة المنبعثة من أنابيب عادم السيارة تنشيط إلكترونيات لوحة القيادة. يمكن لمثل هذه المواد الكهروحرارية أيضًا أن تقوم بتبريد الحالة الصلبة عند الطلب: يمكن للأجهزة الصغيرة التي يمكننا نسجها في ملابسنا تبريدنا بضغطة زر، دون الحاجة إلى مراوح أو ضواغط.

واحدة من أفضل المواد الحرارية التي نعرفها اليوم هي التيلوريوم الرصاص (PbTe)، وهي مادة سامة باهظة الثمن للغاية للاستخدام التجاري. تخيل أنك باحث يبحث عن مادة كهروحرارية أفضل. إذا لم تتمكن من استخدام الأساليب الحسابية عالية الإنتاجية، فسيتعين عليك البدء في البحث عن مركبات معروفة، مثل الرصاص التيلوريان، لها معامل سيبيك مرتفع (مقياس لكمية الكهرباء التي يتم الحصول عليها من اختلاف درجة الحرارة التي تصل إليها المادة مكشوف)، ولكنها، على عكس الرصاص التلوري، ليست مصنوعة من عناصر نادرة أو سامة أو باهظة الثمن. سيكون عليك الخوض في جداول البيانات ومقارنة الأرقام. ومع قليل من الحظ، سوف تكتشف بعض المواد التي يمكن، من الناحية النظرية، أن تناسب غرضك. ومن ثم، كان عليك إنشاء هذه المركبات في المختبر. لكن تركيب المواد أمر مكلف وطويل وصعب. عادة، عندما تبدأ العمل، لا يمكنك حتى معرفة ما إذا كانت المادة الجديدة مستقرة أم لا. وحتى إذا تبين أن المادة الجديدة مستقرة، فيجب تصنيع المركب وتكرار العملية حتى يتم الحصول على عينة نقية بدرجة كافية، قبل أن يتم قياس خصائصها. يمكن أن يستغرق العمل على أي مركب من هذا القبيل شهورًا.

حتى الآن، لم يتمكن الباحثون من اكتشاف مواد كهروحرارية بديلة، لكنهم لم يحاولوا بعد تصميم المواد باستخدام أساليب حسابية عالية الإنتاجية. الوضع على وشك أن يتغير قريبا. ابتداءً من هذا العام، 2014، سوف نتعاون مع الباحثين في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا وخمس مؤسسات أخرى في البحث عن مواد كهروحرارية جديدة. ونحن عازمون على الاستمرار في هذا حتى نجد المركبات التي ستسمح لنا بتحقيق هذه التقنيات المعجزة للتبريد الموفر للطاقة.

العصر الذهبي لتخطيط المواد

إن قدرتنا على الوصول تلقائيًا إلى بيانات المواد والبحث فيها ومراجعتها لا تزال في مهدها. ماذا سيحدث في الميدان عندما يتطور؟ دعونا نجعل بعض الافتراضات هنا.

هناك عدد لا بأس به من تقنيات الطاقة النظيفة التي تنتظر تطوير المواد المتقدمة القابلة للتطبيق. يمكن استخدام مركبات التحفيز الضوئي [التي تحفز التفاعلات الكيميائية تحت تأثير الضوء]، مثل ثاني أكسيد التيتانيوم، لتحويل ضوء الشمس والماء إلى أكسجين وهيدروجين، ويمكن معالجتها إلى وقود سائل. يمكن استخدام مواد تحفيز ضوئي أخرى لنفس الغرض مع ثاني أكسيد الكربون. يتمثل الطموح في إنشاء "ورقة اصطناعية" يمكنها تحويل ضوء الشمس والهواء إلى وقود سائل مشابه للميثانول، والذي سيتم استخدامه لتشغيل السيارات والطائرات (انظر: إعادة اختراع الورقة، مجلة Scientific American Israel، فبراير 2011). ويستخدم الباحثون في المركز المشترك للتمثيل الضوئي الاصطناعي، الذي يعمل تحت رعاية وزارة الطاقة الأمريكية، أساليب حسابية عالية الإنتاجية للعثور على المواد التي تجعل هذه التكنولوجيا عملية.

وماذا عن البحث عن سبائك معدنية جديدة ستصنع منها هذه السيارات والطائرات؟ إن تقليل وزن السيارة بنسبة 10% يمكن أن يحسن الاقتصاد في استهلاك الوقود بنسبة 6% إلى 8%. تستثمر الصناعة الأمريكية مليارات الدولارات كل عام في البحث وتطوير المواد والسبائك. ومن الممكن أن يؤدي تصميم المواد بمساعدة الكمبيوتر إلى مضاعفة فوائد هذا الاستثمار عدة مرات. إن التقدم الحقيقي في مجال السبائك القوية والخفيفة والقابلة لإعادة التدوير سيكون له تأثير كبير على الاقتصاد العالمي، وذلك بفضل تحسين كفاءة الطاقة في النقل والبناء.

المجال الآخر الذي يحتاج إلى مواد خارقة هو الحوسبة. في الآونة الأخيرة، نُشرت العديد من التوقعات الجادة التي تشير إلى أننا اقتربنا من نقطة استنفاد قانون مور، وهو العقد الذي ينص على مضاعفة قوة الحوسبة كل عامين أو نحو ذلك. لقد عرفنا منذ فترة طويلة أن السيليكون ليس أفضل أشباه الموصلات، بل هو ببساطة شائع ومألوف. ما الذي يمكن أن يعمل بشكل أفضل؟ ويكمن المفتاح في العثور على مواد يمكنها التبديل بسرعة بين حالتي التوصيل والعزل. قام فريق من جامعة كاليفورنيا، لوس أنجلوس، بإنشاء ترانزستورات سريعة بشكل لا يصدق من الجرافين، بينما أفاد فريق في جامعة ستانفورد أنهم تمكنوا من تشغيل المغنتيت كمفتاح إلكتروني ينقل تيارًا كهربائيًا أو يوقف مرور التيار في جزء من التريليون. من الثانية - عدة آلاف المرات أسرع من سرعة الترانزستورات المستخدمة اليوم. إن تصميم المواد باستخدام أساليب حسابية عالية الإنتاجية سيسمح لنا بتحديد الخيارات التي تناسبنا بشكل أفضل.

القائمة لا تزال طويلة جدا. يستخدم الباحثون تصميم المواد الحسابية لتطوير موصلات فائقة جديدة ومحفزات ومواد باعثة للضوء. ويمكن لهذه الثلاثة أن تغير وجه تكنولوجيا المعلومات، واحتجاز ثاني أكسيد الكربون من الهواء، واكتشاف المواد النووية.

ومن الممكن أيضًا أن يؤدي تصميم المواد المعتمد على الكمبيوتر إلى تحقيق اختراقات تفوق خيالنا. وربما ننجح في اختراع وقود سائل جديد يعتمد على السيليكون بدلا من الكربون، والذي يوفر طاقة أكبر من البنزين، وتكون منتجاته الثانوية غير ضارة بالبيئة، مثل الرمل والماء. وقد أثيرت هذه الفكرة منذ عقود مضت، ولكن لم يتمكن أحد حتى الآن من إيجاد صيغة عملية لتنفيذها. ومن خلال تصميم مواد بأساليب حسابية عالية الإنتاجية، يمكننا على الأقل معرفة ما إذا كان هذا ممكنًا، أو ما إذا كان ينبغي لنا أن نركز جهودنا في اتجاهات أخرى.

وفي ضوء هذه التطورات في هذا المجال، نعتقد أن هذه هي بداية العصر الذهبي للتخطيط المادي. إن القوة الحاسوبية الهائلة المتاحة لنا اليوم تمنحنا قدرة أكبر من أي وقت مضى على تحويل المواد الخام إلى تقنيات مفيدة. وفي ضوء التحديات التي نواجهها، في عالم يزداد حرارة وازدحاما، كلما جاء هذا العصر الذهبي مبكرا، كلما كان ذلك أفضل.

__________________________________________________________________________________________________

عن المؤلفين

جيربراند سيدر هو أستاذ علوم وهندسة المواد في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT). بدأ سايدر مع كريستين بيرسون "مشروع المواد"، الذي يزود مجتمع البحث بالبيانات التي تنتجها الطرق الحسابية فيما يتعلق بخصائص المواد.

كريستين بيرسون هي عالمة ضمن طاقم مختبر لورانس بيركلي الوطني الأمريكي. حصلت على الدكتوراه في الفيزياء النظرية من المعهد الملكي للتكنولوجيا في ستوكهولم.

باختصار

إن المواد الهندسية، مثل السيليكون عالي النقاء لإنتاج الرقائق، والزجاج لإنتاج الألياف الضوئية، تقف أساس التطور التكنولوجي في العالم الحديث. ومع ذلك، حتى الآن، كان تصميم المواد الجديدة ينطوي إلى حد كبير على عملية محبطة وغير فعالة من التجربة والخطأ.

إن الإصدارات المبسطة من المعادلات الكمومية، جنبًا إلى جنب مع أجهزة الكمبيوتر العملاقة القادرة على اختبار آلاف المواد افتراضيًا، تجعل معظم الخداع زائدًا عن الحاجة.

ويطبق الباحثون حاليا هذه الطريقة، التي تسمى "تصميم المواد الحسابية عالية الإنتاجية"، لتطوير بطاريات جديدة، وخلايا شمسية، وخلايا وقود، ورقائق كمبيوتر، وغيرها من التقنيات.

المبادئ الأساسية

لماذا نحتاج إلى أجهزة الكمبيوتر العملاقة؟

بشكل عام، تتضمن الطريقة الأديسونية لتخطيط المواد اختبار كل شيء يمكن تخيله، والتخلص من ما لا ينجح. ومع ذلك، من خلال تصميم المواد باستخدام أساليب حسابية عالية الإنتاجية، يمكن للباحثين تحديد موقع المواد المرشحة بسرعة افتراضيًا، في مزارع الحواسيب العملاقة، وبالتالي توفير الوقت والمال وتجنب الإحباط. وبعد أن يختبر الكمبيوتر مئات أو آلاف المواد وينتج قائمة بالعشرة الأوائل المرشحة، يبدأ الباحثون في إعداد عينات فعلية من المواد في المختبر واختبارها باستخدام الطرق المخبرية المقبولة.

المزيد عن هذا الموضوع

الفرص والتحديات لتصميم وتطبيقات المواد ذات المبادئ الأولىلمواد بطارية لي. جربراند سيدار في نشرة MRS، المجلد. 35، لا. 1، الصفحات 693-701؛ سبتمبر 2010.

مشروع المواد: نهج الجينوم المادي لتسريع الموادالابتكار. أنوبهاف جاين وآخرون. في مواد APL، المجلد. 1، لا. 1؛ يوليو 2013.

تم نشر المقال بإذن من مجلة ساينتفيك أمريكان إسرائيل