Automatisierte Simulationssoftware erstellt eine Weltkarte der Polymereigenschaften

"Die Materialinformatik (MI), ein neuer Zweig der Materialforschung, der Materialdaten mit Datenwissenschaft kombiniert, gewinnt an Zugkraft", sagte der Mitautor Yoshihiro Hayashi, Assistenzprofessor am Institut für statistische Mathematik der Research Organization of Information and Science (ROIS). Hayashi ist auch an der Fakultät für Maschinenbau der Universität Tokio tätig. "MI wendet maschinelles Lernen an, um neue Materialien mit innovativen Eigenschaften und deren Herstellungsmethoden aus einem riesigen Designraum vorherzusagen. Daher sind Daten die wichtigste Ressource bei MI".

Trotz der Notwendigkeit, so Hayashi, sind die Bemühungen, eine umfassende Datenbank von Polymereigenschaften zu erstellen, um datengesteuerte Forschung zu ermöglichen, bisher zu kurz gekommen.

"Um eine Datenbank der Polymereigenschaften durch molekulare Simulationen zu erstellen, haben wir RadonPy entwickelt", so Hayashi. "Es ist die erste Open-Source-Software, die erfolgreich die Berechnung der physikalischen Eigenschaften von Polymeren mit Hilfe von Simulationen der klassischen Molekulardynamik auf der Grundlage von atomistischen Modellen automatisiert, die das Verhalten und die Eigenschaften der einzelnen Bestandteile berücksichtigen."

Das Programm nimmt ein zugewiesenes Polymer und führt Berechnungen durch, um es mit den vorgeschriebenen Systemparametern ins Gleichgewicht zu bringen. Anschließend kann es unter anderem die Dichte, den Trägheitsradius, den Brechungsindex, die Wärmeleitfähigkeit und die spezifischen Wärmekapazitäten des Polymers bei konstantem Druck und konstantem Volumen berechnen. RadonPy erzeugt und speichert die Daten, auf die dann später zugegriffen werden kann. Die Forscher setzten auch eine Technik des maschinellen Lernens, das so genannte Transferlernen, ein, um Verzerrungen und Abweichungen zwischen den simulierten Eigenschaftswerten und den experimentellen Daten zu korrigieren.

"In dieser Studie wurden mehr als 1.000 einzigartige amorphe Polymere in etwa zwei Monaten berechnet, hauptsächlich mit dem Supercomputer Fugaku", sagte der Mitautor Ryo Yoshida, Professor am Institut für statistische Mathematik in ROIS, der Forschungs- und Dienstleistungsabteilung für Materialdaten und integriertes System des Nationalen Instituts für Materialwissenschaften und der Abteilung für statistische Wissenschaften der Graduate University of Advance Studies. "Das Programm implementiert eine Reihe von automatischen Berechnungsfunktionen für 15 verschiedene Eigenschaften, die systematisch mit experimentellen Daten verglichen wurden, um die Berechnungsbedingungen zu validieren. Wir haben auch die Übereinstimmung zwischen sechs Eigenschaften, die aus Hochdurchsatz-Molekulardynamikberechnungen gewonnen wurden, und experimentellen Werten umfassend überprüft."

Laut Yoshida identifizierte das Forschungsteam auch acht amorphe Polymere mit hoher Leitfähigkeit. Jetzt nutzt die Gruppe RadonPy, um die weltweit größte offene Datenbank der Polymerphysik mit mehr als 100.000 verschiedenen Polymerspezies zu erstellen. Zusätzlich zu ROIS haben sich drei Universitäten und 19 Unternehmen zusammengeschlossen, um gemeinsam mit RadonPy weitere Datenbanken für eine Vielzahl von Anwendungen in Wissenschaft und Industrie zu entwickeln.

"Dieses Projekt wird eine Weltkarte der Eigenschaften von Polymermaterialien erstellen", so Hayashi. "Solch umfassende Beobachtungen können nicht allein durch experimentelle Ansätze erreicht werden, die erhebliche Kosten verursachen, wie z. B. bei der Materialsynthese. Diese Forschung ist der erste Schritt in Richtung eines neuen Horizonts der Polymerwissenschaft."