Acoplamiento de la automatización informática con una impresora de inyección de tinta utilizada originalmente para imprimir diseños de camisetas, Los investigadores de Caltech y Google han desarrollado un método de alto rendimiento para identificar materiales novedosos con propiedades interesantes. En una ejecución de prueba del proceso, examinaron cientos de miles de posibles materiales nuevos y descubrieron uno hecho de cobalto, tantalio y estaño que tiene una transparencia ajustable y actúa como un buen catalizador para reacciones químicas mientras permanece estable en electrolitos ácidos fuertes.

El esfuerzo, descrito en un artículo científico publicado en procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias ( PNAS ), fue dirigido por John Gregoire y Joel Haber de Caltech, y Lusann Yang de Google. Se basa en la investigación realizada en el Centro Conjunto de Fotosíntesis Artificial (JCAP), un Centro de Innovación Energética del Departamento de Energía (DOE) en Caltech, y continúa con el sucesor de JCAP, la Liquid Sunlight Alliance (LiSA), un esfuerzo financiado por el DOE que tiene como objetivo simplificar los complicados pasos necesarios para convertir la luz solar en combustibles, para hacer ese proceso más eficiente.

Crear nuevos materiales no es tan simple como dejar caer algunos elementos diferentes en un tubo de ensayo y agitarlo para ver qué sucede. Necesitas que los elementos que combinas se unan entre sí a nivel atómico para crear algo nuevo y diferente en lugar de solo una mezcla heterogénea de ingredientes. Con un número casi infinito de combinaciones posibles de los distintos cuadrados de la tabla periódica, el desafío es saber qué combinaciones producirán tal material.

"El descubrimiento de materiales puede ser un proceso sombrío. Si no puede predecir dónde encontrar las propiedades deseadas, podría pasar toda su carrera mezclando elementos aleatorios y nunca encontrar nada interesante, "dice Gregoire, profesor investigador de física aplicada y ciencia de los materiales, investigador en JCAP, y líder del equipo LiSA.

Al combinar una pequeña cantidad de elementos individuales, Los científicos de materiales a menudo pueden hacer predicciones sobre las propiedades que podría tener un nuevo material en función de sus partes constituyentes. Sin embargo, ese proceso se vuelve rápidamente insostenible cuando se hacen mezclas más complicadas.

"Cualquier cosa más de dos elementos se considera 'de alta dimensión' en la ciencia de los materiales, "Gregoire dice." La mayoría o todos los óxidos de uno y dos metales ya se conocen, ", dice." La frontera desconocida son tres o más juntos ". (Los óxidos metálicos son materiales sólidos que contienen iones metálicos cargados positivamente, o cationes, e iones de oxígeno cargados negativamente, o aniones; oxido, por ejemplo, es óxido de hierro.)

La mayoría de los materiales de la corteza terrestre son óxidos metálicos, porque el oxígeno de la atmósfera reacciona con varios metales de la corteza del planeta. La estabilidad ambiental de los óxidos metálicos los hace prácticamente útiles, siempre que se puedan identificar composiciones específicas de tales óxidos que proporcionarán la mecánica, óptico, electrónico, y propiedades químicas necesarias para una determinada tecnología.

Aunque los científicos de materiales han demostrado cómo todas estas propiedades se pueden ajustar mediante el uso de varios óxidos metálicos, lograr las propiedades necesarias para una aplicación particular puede requerir combinaciones específicas de múltiples elementos, y encontrar las adecuadas es un desafío abrumador.

Para atravesar la frontera de tres o más óxidos metálicos, El grupo de Gregoire se basó en el trabajo de una década de JCAP. Allí, Los investigadores han desarrollado métodos para crear 100, 000 materiales por día. Uno de esos materiales, descubierto en este estudio, se produjo mediante el uso de impresoras de inyección de tinta reutilizadas para "imprimir" nuevos materiales en láminas de vidrio. Cada combinación de elementos se imprimió como una línea con una gradación de la relación entre sus componentes y luego se oxidó a alta temperatura.

Luego, cada uno de esos materiales se escaneó y se tomó una imagen en Caltech utilizando una técnica de imagen hiperespectral desarrollada en conjunto con Google que puede capturar información rápidamente sobre el material al registrar la cantidad de luz que absorbe en nueve longitudes de onda diferentes. "No es un análisis completo del material, pero es rápido y ofrece pistas sobre las composiciones con propiedades interesantes, "dice Haber, investigador químico e ingeniero de materiales en JCAP y LiSA.

En todo, el equipo de Caltech creó 376, 752 combinaciones de tres óxidos metálicos basadas en 10 elementos metálicos y muestras producidas de cada combinación individual 10 veces diferentes para detectar y eliminar cualquier defecto en el proceso de síntesis. "La impresión puede tener artefactos, que es el sacrificio que haces por la velocidad. Los análisis de Google nos enseñaron a hacer todo 10 veces para generar confianza en los resultados, "Dice Gregoire.

Aunque imperfecto, el proceso crea materiales de tres metales alrededor de 1, 000 veces más rápido que las técnicas tradicionales como la deposición de vapor, en el que el nuevo material se recubre sobre un sustrato condensándolo a partir de un vapor.

Luego, los ingenieros informáticos de Google crearon algoritmos para procesar las imágenes hiperespectrales y buscaron composiciones específicas cuyas propiedades ópticas solo pueden explicarse mediante interacciones químicas entre los tres elementos metálicos.

"Si los tres elementos interactúan químicamente para proporcionar propiedades ópticas excepcionales, sus interacciones también pueden dar lugar a otras propiedades excepcionales, "Gregoire explica. Debido a que la técnica puede identificar la pequeña fracción de composiciones que muestran evidencia de estas interacciones químicas, también reduce el pajar para los científicos de materiales que buscan agujas, por así decirlo.

"El laboratorio de John tenía el tipo de problema con el que soñamos en Google Applied Science; puede imprimir cientos de miles de muestras en un día, resultando en terabytes de datos de imagen, ", dice el investigador de Google Lusann Yang." Estamos encantados de trabajar en estrecha colaboración con él en cada paso de esta colaboración de seis años, encontrar lugares para aplicar el conjunto de herramientas exclusivo de Google para experimentos iterativos en grandes cantidades de datos ruidosos:diseño de experimentos, depuración de hardware, procesar grandes cantidades de datos de imágenes, y la creación de algoritmos inspirados en la física. El resultado es un conjunto de datos experimentales de amplitud única en muchos espacios químicos que me enorgullece abrir ".

Para validar sus hallazgos, El equipo de Gregoire en Caltech recreó los materiales marcados como "interesantes" usando deposición física de vapor y los analizó usando difracción de rayos X, un proceso más lento pero más completo que las imágenes hiperespectrales. Este tipo de validación reveló que el proceso automatizado de alto rendimiento era más hábil para detectar nuevos materiales que un análisis exhaustivo de los datos hiperespectrales por parte de un científico humano.

los PNAS El artículo se titula "Descubrimiento de óxidos complejos a través de experimentos automatizados y ciencia de datos".