19.05.2020 - Skolkovo Institute of Science and Technology

Neuer Algorithmus sagt optimale Materialien unter allen möglichen Verbindungen voraus

Methode kann Suche nach rekordverdächtigen Materialien beschleunigen und zu neuen technologischen Durchbrüchen führen

Die Forscher von Skoltech haben eine Lösung für das Problem der Suche nach Materialien mit den erforderlichen Eigenschaften unter allen möglichen Kombinationen chemischer Elemente angeboten. Diese Kombinationen sind praktisch endlos, und jede hat eine unendliche Vielzahl von möglichen Kristallstrukturen; es ist nicht möglich, sie alle zu testen und die beste Option (z.B. die härteste Verbindung) entweder in einem Experiment oder in silico zu wählen. Die von Skoltech-Professor Artem R. Oganov und seinem Doktoranden Zahed Allahyari entwickelte Rechenmethode löst dieses große Problem der theoretischen Materialwissenschaft. Oganov und Allahyari stellten ihre Methode im MendS-Code (steht für Mendelevianische Suche) vor und testeten sie an superharten und magnetischen Materialien.

"Im Jahr 2006 haben wir einen Algorithmus entwickelt, der die Kristallstruktur einer bestimmten festen Kombination chemischer Elemente vorhersagen kann. Dann steigerten wir seine Vorhersagekraft, indem wir ihm beibrachten, ohne eine bestimmte Kombination zu arbeiten - eine einzige Berechnung würde Ihnen also alle stabilen Verbindungen gegebener Elemente und ihre jeweiligen Kristallstrukturen liefern. Die neue Methode geht eine viel ehrgeizigere Aufgabe an: Hier wählen wir weder eine präzise Verbindung noch sogar spezifische chemische Elemente aus - vielmehr suchen wir alle möglichen Kombinationen aller chemischen Elemente unter Berücksichtigung aller möglichen Kristallstrukturen und finden diejenigen, die die benötigten Eigenschaften (z.B. höchste Härte oder höchste Magnetisierung) aufweisen", sagt Artem Oganov, Skoltech- und MIPT-Professor, Fellow der Royal Society of Chemistry und Mitglied der Academia Europaea.

Die Forscher fanden zunächst heraus, dass es möglich ist, einen abstrakten chemischen Raum zu bauen, so dass Verbindungen, die in diesem Raum nahe beieinander liegen, ähnliche Eigenschaften haben. Auf diese Weise werden alle Materialien mit eigenartigen Eigenschaften (z.B. superharte Materialien) in bestimmten Bereichen geclustert, und evolutionäre Algorithmen werden besonders effektiv sein, um das beste Material zu finden. Der Mendelevianische Suchalgorithmus durchläuft eine doppelte evolutionäre Suche: Für jeden Punkt im chemischen Raum sucht er nach der besten Kristallstruktur, und gleichzeitig konkurrieren diese gefundenen Verbindungen miteinander, paaren sich und mutieren in einer natürlichen Selektion des besten.

Um die Wirksamkeit der neuen Methode zu testen, gaben die Wissenschaftler ihrer Maschine die Aufgabe, die Zusammensetzung und Struktur des härtesten Materials zu finden. Ihr Algorithmus ergab Diamant, was die Suche nach Materialien, die härter als Diamant sind, zu einer Sackgasse macht. Darüber hinaus sagte der Algorithmus auch mehrere Dutzend harte und superharte Phasen voraus, darunter die meisten der bereits bekannten Materialien und mehrere völlig neue.

Diese Methode kann die Suche nach rekordverdächtigen Materialien beschleunigen und zu neuen technologischen Durchbrüchen führen. Ausgerüstet mit diesen Materialien können Wissenschaftler ganz neue Technologien entwickeln oder die Effizienz und Verfügbarkeit alter Technologien erhöhen.

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