30 oktober 2023 (Nanowerk Nyheter) Diamanten i en förlovningsring, undermaterialet grafen och "bly" i en ödmjuk penna är alla gjorda av kol, men uppvisar mycket olika egenskaper. Kolmaterial som dessa är bland de mest kända exemplen på hur olika egenskaper kan uppstå i material, endast baserat på omarrangemang av atomernas struktur. Målet för RIKEN Center for Emergent Matter Science (CEMS) i Saitama, Japan, är att utveckla material för ny, energieffektiv teknik. Det vanliga tillvägagångssättet för att syntetisera nya material innebär att leta efter förbättrade egenskaper som styrka och hållbarhet, eller förbättrad ledning av el och värme. Men CEMS är banbrytande för ett alternativt tillvägagångssätt som vänder på den standardmetoden. Först tänker vi på egenskaperna som behövs för en ny enhet, använder data från RIKENs nya förvar och simuleringsplattform för att beräkna den atomära strukturen som tillhandahåller dessa egenskaper och bygger sedan det skräddarsydda materialet.

Hållbart liten

CEMS arbetar för att krympa elektroniken, men ingenjörer når många gränser för storleksminskning. Du kan till exempel titta på en "induktor", en standardkomponent som finns i enheter som smarta telefoner. Dessa trådspolar styr flödet av elektrisk ström i en krets genom att lagra den som magnetfältsenergi. Vid första anblicken kan fysiker anta att induktorn kan göras mindre genom att minska storleken på spolen, men detta minskar dess förmåga att lagra energi. För några år sedan hittade fysiker på CEMS en innovativ lösning. De insåg att en speciell egenskap hos vissa exotiska magnetiska material kunde efterlikna en induktor, utan att behöva en tråd.1 Funktionen relaterar till en kvantkarakteristik som är inneboende för alla elektroner som kallas "spin", som vänder elektroner på en osynlig axel som pekar på en specifik axel. riktning. I normala magneter riktas elektronernas spinn i en riktning, vilket skapar den magnetiska effekten. Men CEMS-fysikerna var fascinerade av helimagneter, en uppsättning naturligt förekommande material där elektronerna ordnar sig i spiraler. De trodde att vissa elektriskt ledande helimagneter kunde efterlikna en trådspole, som fungerade som en liten induktor: den uppfattningen bekräftades i CEMS-experiment 2020 (Natur, "Emergent elektromagnetisk induktion i en spiralformad magnet"). Medan de första undersökta helimagneterna endast fungerade vid energiintensiva ultrakalla temperaturer, fann CEMS-forskare en som fungerar vid rumstemperatur, i samarbete med University of Tokyo (PNAS, "Emergent elektromagnetisk induktion bortom rumstemperatur"). Det finns dock andra hinder att övervinna. Till exempel fungerar helimagneter bara under megahertz-regimen, men enheter som mobiltelefoner fungerar vid frekvenser i mycket högre gigahertz-intervall. Helimagneter är en uppsättning naturligt förekommande material där elektronerna ordnar sig i spiraler. Vissa små elektriskt ledande helimagneter kan efterlikna en induktor - trådspolar som styr flödet av elektrisk ström i en krets genom att lagra den som magnetfältsenergi. (Bild: RIKEN)

Magnetiskt minne

En annan liten, vridande teknik som undersöks vid CEMS kan hjälpa till att revolutionera minneslagring inom elektronik. Det involverar skyrmioner - sfäriska knutar av elektroner orienterade så att deras snurr pekar utåt, lite som en ihoprullad igelkott. Dessa konfigurationer är mycket stabila eftersom de bara utvecklas när extra energi sätts in i systemet. Skyrmioner fungerar som partiklar eftersom de är lätta att flytta runt med ett externt magnetfält och är svåra att förstöra. Detta gör dem till ett attraktivt verktyg för att lagra information, som skulle kodas i skyrmions position. Eftersom de är så stabila är de också robusta mot fel och minneskorruption. Avgörande är att de också är små: en skyrmion kan vara mindre än en hundradels mikrometer, vilket innebär att du kan packa 10,000 1 skyrmioner i bara 2 μmXNUMX (mikrometer i kvadrat), vilket är en tiondel till en hundradel av ett människohårs bredd. Detta skulle möjliggöra minneslagring med mycket hög densitet och mindre minneslagringsenheter. Men återigen finns det en stötesten. Hittills har fysiker enkelt kunnat manipulera skyrmioner i material med lägre täthet av elektronknutorna, men inte i de högdensitetsknutar de är mest intresserade av. En stor frustration är att det inte finns någon riktig strategi bakom att hitta rätt skyrmion -värdmaterial. Det nuvarande tillvägagångssättet är att göra en förening, mäta den, se om den passar och göra en annan förening om den inte gör det. Vanligtvis är det kemister som upptäcker nya material genom att justera strukturerna hos välbekanta material. Fysiker katalogiserar sedan alla nya egenskaper som kommer från dem, genom att noggrant mäta deras optiska, elektriska, magnetiska, termiska och mekaniska egenskaper. Slutligen tar ingenjörer ett material som har användbara funktioner och bygger en enhet för att dra nytta av dem. Allt är trial-and-error. Ännu värre, forskare brukar bara rapportera framgångsrika försök till sina kamrater. Detta innebär att mycket tid och resurser slösas bort genom att olika grupper upprepar samma misstag. CEMS sätter upp en ny digital plattform för att effektivisera denna process genom att systematiskt kombinera data från laboratorieexperiment med superdatorsimuleringar via en onlineplattform som kan nås inifrån RIKEN (se ruta: A TRIP into the future of material science). Syftet är att göra det lättare för forskare att börja med en vision av den enhet de behöver och arbeta baklänges för att skapa det skräddarsydda materialet som matchar deras krav.

En resa in i materialvetenskapens framtid

Det finns bara ett 80-tal typer av element som människor kan leka med i labbet när de försöker konstruera nya komponenter för enheter. Men atomerna i dessa 80 element kan omarrangeras för att designa ett nästan oändligt antal nya material, och det betyder att att studera detta involverar otroliga mängder data. Med detta i åtanke bidrar RIKENs Center for Emergent Matter Science (CEMS) till främjandet av "TRIP", eller "Transformative Research Innovation Platform of RIKEN Platforms", ett RIKEN-omfattande initiativ som syftar till att länka de olika dataplattformarna inom RIKEN till utveckla nya vetenskapliga paradigm. CEMS deltar i initiativet genom ett förvar som kombinerar kunskap från verkliga laboratorieexperiment med simuleringar av förutspådda materialegenskaper gjorda av superdatorer. Artificiell intelligens, eller AI, kan sedan utnyttjas för att hjälpa till att designa användbara nya material baserat på de egenskaper som önskas, som forskare sedan kan syntetisera. Takahisa Arima, biträdande chef för CEMS, säger att projektet, trots att det är baserat i fysik, hämtar inspiration från biologin, där AI har visat avsevärd framgång de senaste åren med att korrekt förutsäga hur proteiner kommer att vikas – en gång ett av de största framstående problemen för biologer. "Men utmaningen för materialvetenskap är mycket svårare eftersom det finns många fler byggstenar", säger Arima. Med en blick mot framtiden siktar TRIP på att inkludera simuleringar och förutsägelser gjorda av kvantdatorer – maskiner som utvecklas som har potential att överträffa dagens superdatorer – för att ta itu med dessa problem. "Vi är banbrytande för den digitala omvandlingen av vetenskap", säger Arima. Under uppväxten hade Arima en helt annan ambition. ”Jag ville bli meteorolog och förutsäga vädret. Men jag ändrade mig på universitetet, när jag insåg hur många komplexa faktorer som spelar in när jag försöker förutsäga – än mindre manipulera – vägen för en tyfon, säg, säger han. "Däremot erbjuder den kondenserade materiens fysik en lockande klarhet och kontroll. Materialegenskaper är mycket olika, men de genereras av enkla beteenden hos elektroner och kärnor i atomer." Detta i kombination med ökad datorkraft, säger han, betyder att material borde ha kraften att förvandla våra liv snabbare än vi kanske tror.

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrka dig själv. Tillgång här.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Platoesg. Kol, CleanTech, Energi, Miljö, Sol, Avfallshantering. Tillgång här.
• PlatoHealth. Biotech och kliniska prövningar Intelligence. Tillgång här.
• Källa: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=63959.php