El paradigma comienza con los aspectos principales de las estructuras microscópicas y las propiedades de los materiales. Sobre la base de los cuales se pueden extraer los motivos funcionales que rigen las propiedades del material y se pueden investigar las relaciones cuantitativas entre ellos, y los resultados podrían desarrollarse más como la "teoría del motivo funcional". Este último debería ser útil como guía para crear nuevos materiales y como herramienta para predecir las propiedades fisicoquímicas de los materiales. Crédito:Science China Press
El método tradicional de prueba y error en la investigación de materiales no puede satisfacer la creciente demanda de varios materiales de alto rendimiento, por lo que es extremadamente urgente desarrollar un nuevo paradigma efectivo de ciencia de materiales. Un estudio dirigido por el Dr. Xiao-Ming Jiang y el Prof. Guo-Cong Guo (Instituto de Investigación sobre la Estructura de la Materia de Fujian, Academia de Ciencias de China) propone un nuevo paradigma de investigación para estudios de materiales basado en el concepto de "motivo funcional".
El motivo funcional se definió como las unidades críticas de microestructura (por ejemplo, componentes constituyentes y bloques de construcción) que juegan un papel decisivo en la generación de ciertas funciones materiales. Estas unidades no podrían ser reemplazadas por otras unidades de la estructura sin perder o suprimir significativamente las funciones relevantes. El paradigma del motivo funcional comienza con los aspectos principales de las estructuras microscópicas y las propiedades de los materiales. Sobre la base de esta comprensión, se pueden extraer los motivos funcionales que gobiernan las propiedades del material y se pueden investigar las relaciones cuantitativas entre ellos, y los resultados podrían desarrollarse más como la "teoría del motivo funcional". Este último debería ser útil como guía para crear nuevos materiales y como herramienta para predecir las propiedades fisicoquímicas de los materiales.
Las propiedades de los materiales están determinadas por sus motivos funcionales y cómo están dispuestos en los materiales, determinando estos últimos las relaciones cuantitativas estructura-propiedad. Descubrir los motivos funcionales y sus arreglos es crucial para comprender las propiedades de los materiales, y la exploración de motivos funcionales permite el diseño racional de nuevos materiales con las propiedades deseadas.
En términos de la escala de longitud de las características estructurales, la estructura del material se puede clasificar en estructuras macroscópicas, mesoscópicas y microscópicas. Y la estructura microscópica de los materiales se puede categorizar plausiblemente en seis tipos:(1) estructuras cristalinas que poseen un orden de átomos de largo alcance, (2) estructuras magnéticas con un orden de largo alcance de momentos de espín en materiales cristalinos, (3) estructuras aperiódicas con modulaciones atómicas organizadas de largo alcance de materiales cristalinos, (4) estructuras de defectos con distribuciones aleatorias o no aleatorias de largo alcance de defectos atómicos en materiales cristalinos, (5) estructuras locales que representan entornos de coordinación local de átomos en el rango de varias coordinaciones capas, y (6) estructuras electrónicas que representan distribuciones de densidad de electrones en el espacio real (o espacio de posición) y aquellas que representan distribuciones de electrones en el espacio de cantidad de movimiento (o espacio k). Esta clasificación no es demasiado rigurosa, mientras que beneficia las investigaciones de motivos funcionales y relaciones estructura-propiedad. (Las bolas rosadas en el cuadrado rojo representan los átomos en una celda unitaria repetida; la flecha negra representa los momentos de espín. Las líneas azules resaltan las posiciones relativas de los átomos). Crédito:Science China Press
Dada la importancia de las estructuras microscópicas en el paradigma de motivos funcionales, es necesario comprender completamente las estructuras materiales. La jerarquía de la estructura material involucra información que cruza múltiples escalas de longitud y tiempo. Jiang X-M et al clasifican las estructuras materiales en estructuras macroscópicas, mesoscópicas y microscópicas, y además clasifican las estructuras microscópicas en seis tipos. es decir, las estructuras cristalina, magnética, aperiódica, de defecto, local y electrónica. Para cada tipo de estructura microscópica, Jiang X-M et al presentan el papel de los motivos funcionales y sus arreglos en la determinación de propiedades con materiales funcionales representativos.
Jiang X-M et al toman los materiales infrarrojos (IR) NLO como ejemplo para presentar la estrategia de diseño orientada a la función de nuevos materiales funcionales, en la que se enfatiza el papel de los motivos funcionales de los materiales en el diseño de materiales. Esta estrategia difiere de la estrategia de diseño tradicional orientada a la estructura.
Jiang X-M et al también discuten el importante papel de la experimentación y el cálculo de alto rendimiento en los estudios de materiales y los desafíos para extraer motivos funcionales de una gran cantidad de datos sobre estructuras y propiedades de materiales. Se espera que el aprendizaje automático sea útil para predecir de manera eficiente las propiedades de los materiales y seleccionar materiales con las propiedades deseadas. Para el diseño de nuevos materiales, es imperativo desarrollar estructuras de materiales y bases de datos de propiedades suficientemente confiables y nuevos métodos efectivos para extraer motivos funcionales y relaciones estructura-propiedad de los materiales a partir de modelos de aprendizaje automático.
La investigación fue publicada en National Science Review . Equipo de investigación desarrolla nueva estrategia para diseñar materiales termoeléctricos
