30 okt 2023 (Nanowerk Nieuws) De diamant in een verlovingsring, het wondermateriaal grafeen en de 'lood' in een bescheiden potlood zijn allemaal gevormd uit koolstof, maar vertonen totaal verschillende kenmerken. Koolstofmaterialen zoals deze behoren tot de beroemdste voorbeelden van hoe uiteenlopende eigenschappen in materialen kunnen ontstaan, uitsluitend gebaseerd op de herschikking van de structuur van atomen. Het doel van het RIKEN Center for Emergent Matter Science (CEMS) in Saitama, Japan, is het ontwikkelen van materialen voor nieuwe, energie-efficiënte technologieën. De gebruikelijke benadering bij het synthetiseren van nieuwe materialen omvat het zoeken naar verbeterde eigenschappen zoals sterkte en duurzaamheid, of verbeterde geleiding van elektriciteit en warmte. Maar CEMS is een pionier op het gebied van een alternatieve aanpak die die standaardaanpak op zijn kop zet. Eerst denken we na over de eigenschappen die nodig zijn voor een nieuw apparaat, gebruiken we gegevens uit RIKEN's nieuwe opslagplaats en simulatieplatform om de atomaire structuur te berekenen die deze kenmerken biedt en bouwen vervolgens het op maat gemaakte materiaal.

Duurzaam klein

CEMS werkt aan het verkleinen van de elektronica, maar ingenieurs lopen tegen veel grenzen aan bij het verkleinen. Je zou bijvoorbeeld kunnen kijken naar een 'inductor', een standaardcomponent die voorkomt in apparaten zoals smartphones. Deze draadspoelen regelen de stroom van elektrische stroom in een circuit door deze op te slaan als magnetische veldenergie. Op het eerste gezicht zouden natuurkundigen kunnen aannemen dat de inductor kleiner kan worden gemaakt door de spoel kleiner te maken, maar dit vermindert het vermogen om energie op te slaan. Een paar jaar geleden kwamen natuurkundigen van CEMS op een innovatieve oplossing. Ze realiseerden zich dat een eigenaardige eigenschap van bepaalde exotische magnetische materialen een inductor zou kunnen nabootsen, zonder dat daarvoor een draad nodig is.1 Dit kenmerk heeft betrekking op een kwantumkarakteristiek die inherent is aan alle elektronen, genaamd 'spin', waardoor elektronen op een onzichtbare as draaien die in een specifieke richting wijst. richting. Bij normale magneten zijn de spins van elektronen in één richting uitgelijnd, waardoor het magnetische effect ontstaat. Maar de CEMS-natuurkundigen waren geïntrigeerd door helimagneten, een reeks natuurlijk voorkomende materialen waarin de elektronen zichzelf in spiralen rangschikken. Ze dachten dat sommige elektrisch geleidende helimagneten een draadspiraal konden nabootsen en als een kleine inductor konden dienen: dat idee werd bevestigd in CEMS-experimenten in 2020 (NATUUR, “Emergente elektromagnetische inductie in een spiraalvormige magneet”). Terwijl de eerste onderzochte helimagneten alleen werkten bij energie-intensieve, ultrakoude temperaturen, hebben CEMS-onderzoekers er in samenwerking met de Universiteit van Tokio een gevonden die werkt bij kamertemperatuur.PNAS, “Emergente elektromagnetische inductie boven kamertemperatuur”). Er zijn echter nog andere obstakels die overwonnen moeten worden. Helimagneten werken bijvoorbeeld alleen onder het megahertz-regime, maar apparaten zoals mobiele telefoons werken op frequenties in het veel hogere gigahertz-bereik. Helimagneten zijn een reeks natuurlijk voorkomende materialen waarin de elektronen zichzelf in spiralen rangschikken. Sommige kleine elektrisch geleidende helimagneten kunnen een inductor nabootsen: draadspoelen die de stroom van elektrische stroom in een circuit regelen door deze op te slaan als magnetische veldenergie. (Afbeelding: RIKEN)

Magnetisch geheugen

Een andere kleine, kronkelende technologie die bij CEMS wordt onderzocht, zou een revolutie teweeg kunnen brengen in de geheugenopslag in de elektronica. Het gaat om skyrmionen: bolvormige knopen van elektronen die zo zijn georiënteerd dat hun spins allemaal naar buiten wijzen, een beetje zoals een opgerolde egel. Deze configuraties zijn zeer stabiel omdat ze zich alleen ontvouwen als er extra energie in het systeem wordt gestopt. Skyrmionen gedragen zich als deeltjes omdat ze gemakkelijk te verplaatsen zijn met een extern magnetisch veld en moeilijk te vernietigen zijn. Dit maakt ze tot een aantrekkelijk hulpmiddel voor het opslaan van informatie, die gecodeerd zou zijn in de positie van de Skyrmion. Omdat ze zo stabiel zijn, zijn ze ook robuust tegen fouten en geheugenbeschadiging. Cruciaal is dat ze ook minuscuul zijn: een skyrmion kan kleiner zijn dan een honderdste van een micrometer, wat betekent dat je 10,000 skyrmionen kunt verpakken in slechts 1 μm2 (micrometer in het kwadraat), wat een tiende tot een honderdste van de breedte van een mensenhaar is. Dit zou geheugenopslag met een zeer hoge dichtheid en kleinere geheugenopslagapparaten mogelijk maken. Maar opnieuw is er een struikelblok. Tot nu toe zijn natuurkundigen erin geslaagd om skyrmionen gemakkelijk te manipuleren in materialen met een lagere dichtheid van de elektronenknopen, maar niet in de knopen met een hoge dichtheid waarin ze het meest geïnteresseerd zijn. Een grote frustratie is dat er geen echte strategie zit achter het vinden van de juiste skyrmion. -hostingmateriaal. De huidige aanpak is om een ​​verbinding te maken, deze te meten, te kijken of deze past en een andere verbinding te maken als deze niet past. Meestal zijn het scheikundigen die nieuwe materialen ontdekken, door de structuren van bekende materialen aan te passen. Natuurkundigen catalogiseren vervolgens alle nieuwe eigenschappen die eruit voortkomen, door hun optische, elektrische, magnetische, thermische en mechanische eigenschappen nauwgezet te meten. Ten slotte nemen ingenieurs een materiaal met nuttige eigenschappen en bouwen ze een apparaat om hiervan te profiteren. Het is allemaal vallen en opstaan. Erger nog, wetenschappers hebben de neiging succesvolle pogingen alleen aan hun collega's te melden. Dit betekent dat er veel tijd en middelen worden verspild doordat verschillende groepen dezelfde fouten herhalen. CEMS zet een nieuw digitaal platform op om dit proces efficiënter te maken door data uit laboratoriumexperimenten systematisch te combineren met supercomputersimulaties via een online platform dat toegankelijk is vanuit RIKEN (zie kader: Een REIS naar de toekomst van de materiaalkunde). Het doel is om het voor wetenschappers gemakkelijker te maken om te beginnen met een visie op het apparaat dat ze nodig hebben en vervolgens achteruit te werken om het op maat gemaakte materiaal te creëren dat aan hun eisen voldoet.

Een REIS naar de toekomst van de materiaalkunde

Er zijn slechts ongeveer 80 soorten elementen waarmee mensen in het laboratorium kunnen spelen wanneer ze nieuwe componenten voor apparaten proberen te ontwikkelen. Maar de atomen van deze 80 elementen kunnen worden herschikt om een ​​vrijwel oneindig aantal nieuwe materialen te ontwerpen, en dit betekent dat het bestuderen hiervan verbijsterende hoeveelheden gegevens met zich meebrengt. Met dit in gedachten draagt ​​RIKEN's Centre for Emergent Matter Science (CEMS) bij aan de promotie van 'TRIP', of 'Transformative Research Innovation Platform of RIKEN Platforms', een RIKEN-breed initiatief gericht op het koppelen van de verschillende dataplatforms binnen RIKEN aan nieuwe wetenschappelijke paradigma’s ontwikkelen. CEMS neemt deel aan het initiatief via een repository die kennis uit experimenten in het echte laboratorium combineert met simulaties van voorspelde materiaaleigenschappen gemaakt door supercomputers. kunstmatige intelligentie, of AI, kan vervolgens worden ingezet om nuttige nieuwe materialen te helpen ontwerpen op basis van de gewenste eigenschappen, die wetenschappers vervolgens kunnen synthetiseren. Takahisa Arima, adjunct-directeur van CEMS, zegt dat het project, ondanks dat het gebaseerd is op natuurkunde, inspiratie haalt uit de biologie, waar AI de afgelopen jaren aanzienlijk succes heeft laten zien bij het correct voorspellen hoe eiwitten zullen vouwen – ooit een van de grootste openstaande problemen voor biologen. “Maar de uitdaging voor de materiaalkunde is veel moeilijker omdat er veel meer bouwstenen zijn”, zegt Arima. Met het oog op de toekomst wil TRIP simulaties en voorspellingen van kwantumcomputers – machines die in ontwikkeling zijn en die het potentieel hebben om beter te presteren dan de huidige supercomputers – meenemen om deze problemen aan te pakken. “Wij zijn pioniers in de digitale transformatie van de wetenschap”, zegt Arima. Toen ze opgroeide, had Arima een heel andere ambitie. “Ik wilde meteoroloog worden en het weer voorspellen. Maar ik veranderde van gedachten op de universiteit, toen ik besefte hoeveel complexe factoren een rol spelen bij het voorspellen – laat staan ​​manipuleren – van de route van bijvoorbeeld een tyfoon”, zegt hij. “Daarentegen biedt de fysica van de gecondenseerde materie een verleidelijke helderheid en controle. Materiaaleigenschappen zijn zeer divers, maar worden gegenereerd door eenvoudig gedrag van elektronen en kernen in atomen.” Dit, gecombineerd met de toenemende rekenkracht, betekent volgens hem dat materialen de kracht moeten hebben om ons leven sneller te transformeren dan we misschien denken.

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
• PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
• Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
• Bron: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=63959.php