Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Künstliche Intelligenz ermöglicht die Entdeckung neuer Materialien

21.09.2016

Mit Methoden der künstlichen Intelligenz haben Chemiker der Universität Basel die Eigenschaften von rund 2 Millionen Kristallen berechnet, die aus vier verschiedenen chemischen Elementen zusammengesetzt sind. Dabei konnten die Forscher 90 bisher unbekannte Kristalle identifizieren, die thermodynamisch stabil sind und als neuartige Werkstoffe in Betracht kommen. Das berichten sie in der Fachzeitschrift «Physical Review Letters».

Elpasolith ist ein glasiges, transparentes, glänzendes und weiches Mineral mit kubischer Kristallstruktur. Erstmals entdeckt im El Paso County (USA), kann man es in den Rocky Mountains, in Virginia oder in den Apenninen finden.


Die Matrix visualisiert die Bildungsenergie – ein Indikator für die Stabilität – von rund zwei Millionen möglichen Verbindungen.

In experimentellen Datenbanken ist Elpasolith einer der häufigsten Kristalle, der aus vier verschiedenen chemischen Elementen besteht. Je nach ihrer Zusammensetzung können Elpasolithe metallische Leiter, Halbleiter oder Isolatoren sein, und manchmal können sie auch Licht emittieren, wenn sie Strahlung ausgesetzt werden.

Diese Eigenschaften machen Elpasolithe zu interessanten Materialkandidaten für Szintillatoren (mit denen sich etwa bestimmte Teilchen nachweisen lassen) und andere Anwendungen. Aufgrund ihrer chemischen Komplexität ist es rechnerisch nachgerade unmöglich, die Stabilität und Eigenschaften aller theoretisch denkbaren Kombinationen von vier Elementen in der Elpasolithstruktur quantenmechanisch vorherzusagen.

Statistische Analyse mithilfe von maschinellem Lernen

Dank modernen Methoden der künstlichen Intelligenz ist es Felix Faber, Doktorand in der Gruppe von Prof. von Lilienfeld am Departement der Chemie der Universität Basel, nun gelungen, dieses Materialdesign-Problem zu lösen. Dazu berechnete er zunächst die quantenmechanische Vorhersagen von Tausenden von Elpasolithkristallen mit zufällig ausgewählter chemischer Zusammensetzung.

Die Resultate nutzte er, um statistische, sogenannte Machine-Learning-Modelle (ML-Modelle), zu trainieren. Die so verbesserte algorithmische Herangehensweise erreichte eine prädiktive Genauigkeit, welche üblichen quantenmechanischen Näherungen entspricht.

Die ML-Modelle haben den Vorteil, dass sie um viele Grössenordnungen schneller sind als die entsprechenden quantenmechanischen Berechnungen. Innerhalb eines Tages konnte das ML-Modell die Bildungsenergien – ein Indikator für die chemische Stabilität – für alle 2 Millionen Elpasolithkristalle vorhersagen, die man aus allen Hauptgruppenelementen des Periodensystems der Elemente theoretisch erhalten kann. Für die entsprechenden quantenmechanischen Berechnungen hätte hingegen ein Hochleistungsrechner über 20 Millionen Rechenstunden verbraucht.

Unbekannte Materialien mit interessanten Eigenschaften

Die Analyse der berechneten Eigenschaften hat zu neuen Erkenntnissen über diese Materialklasse geführt. Die Forscher konnten fundamentale Bindungstrends aufdecken und unter den 2 Millionen Kristallen 90 bisher unbekannte Kristalle identifizieren, die gemäss quantenmechanischen Vorhersagen thermodynamisch stabil sind.

Aufgrund dieser potenziellen Eigenschaften wurden Elpasolithe in die Werkstoffdatenbank «Materials Project» aufgenommen, die eine zentrale Rolle innerhalb der Materials Genome Initiative spielt. Diese wurde 2011 von der US-amerikanischen Regierung lanciert, um mittels rechnerischer Unterstützung die Entdeckung und experimentelle Synthese neuartiger interessanter Materialien und Werkstoffe zu beschleunigen.

Einige der neu entdeckten Elpasolithkristalle weisen exotische elektronische Eigenschaften und ungewöhnliche Zusammensetzungen auf. «Die Kombination von künstlicher Intelligenz, Big Data, Quantenmechanik und Hochleistungsrechnen ermöglicht vielversprechende neue Wege, um unser Verständnis von Materialien zu vertiefen und um neue Materialien zu entdecken, die bloss mithilfe von menschlicher chemischer Intuition nicht in Erwägung gezogen worden wären», kommentiert Studienleiter Prof. Anatole von Lilienfeld die Ergebnisse.

Die Arbeit entstand in Zusammenarbeit mit Physikern der Universität Linköping (Schweden) und wurde auch im Rahmen des vom Schweizerische Nationalfonds geförderten Nationalen Forschungsschwerpunkts «MARVEL – Materials’ Revolution: Computational Design and Discovery of Novel Materials» durchgeführt.

Originalbeitrag
Felix Faber, Alexander Lindmaa, O. Anatole von Lilienfeld, and Rickard Armiento
Machine Learning Energies of 2M Elpasolithe (ABC2D6) Crystals
Physical Review Letters (2016), doi:10.1103/PhysRevLett.117.135502

Weitere Auskünfte
Prof. Dr. O. Anatole von Lilienfeld, Universität Basel, Departement Chemie, Tel. +41 61 267 38 45, E-Mail: anatole.vonlilienfeld@unibas.ch

Reto Caluori | Universität Basel
Weitere Informationen:
http://www.unibas.ch

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Neue Anwendungen für Mikrolaser in der Quanten-Nanophotonik
20.07.2018 | Technische Universität Berlin

nachricht Superscharfe Bilder von der neuen Adaptiven Optik des VLT
18.07.2018 | ESO Science Outreach Network - Haus der Astronomie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Future electronic components to be printed like newspapers

A new manufacturing technique uses a process similar to newspaper printing to form smoother and more flexible metals for making ultrafast electronic devices.

The low-cost process, developed by Purdue University researchers, combines tools already used in industry for manufacturing metals on a large scale, but uses...

Im Focus: Rostocker Forscher entwickeln autonom fahrende Kräne

Industriepartner kommen aus sechs Ländern

Autonom fahrende, intelligente Kräne und Hebezeuge – dieser Ingenieurs-Traum könnte in den nächsten drei Jahren zur Wirklichkeit werden. Forscher aus dem...

Im Focus: Superscharfe Bilder von der neuen Adaptiven Optik des VLT

Das Very Large Telescope (VLT) der ESO hat das erste Licht mit einem neuen Modus Adaptiver Optik erreicht, die als Lasertomografie bezeichnet wird – und hat in diesem Rahmen bemerkenswert scharfe Testbilder vom Planeten Neptun, von Sternhaufen und anderen Objekten aufgenommen. Das bahnbrechende MUSE-Instrument kann ab sofort im sogenannten Narrow-Field-Modus mit dem adaptiven Optikmodul GALACSI diese neue Technik nutzen, um Turbulenzen in verschiedenen Höhen in der Erdatmosphäre zu korrigieren. Damit ist jetzt möglich, Bilder vom Erdboden im sichtbaren Licht aufzunehmen, die schärfer sind als die des NASA/ESA Hubble-Weltraumteleskops. Die Kombination aus exquisiter Bildschärfe und den spektroskopischen Fähigkeiten von MUSE wird es den Astronomen ermöglichen, die Eigenschaften astronomischer Objekte viel detaillierter als bisher zu untersuchen.

Das MUSE-Instrument (kurz für Multi Unit Spectroscopic Explorer) am Very Large Telescope (VLT) der ESO arbeitet mit einer adaptiven Optikeinheit namens GALACSI. Dabei kommt auch die Laser Guide Stars Facility, kurz ...

Im Focus: Diamant – ein unverzichtbarer Werkstoff der Fusionstechnologie

Forscher am KIT entwickeln Fenstereinheiten mit Diamantscheiben für Fusionsreaktoren – Neue Scheibe mit Rekorddurchmesser von 180 Millimetern

Klimafreundliche und fast unbegrenzte Energie aus dem Fusionskraftwerk – für dieses Ziel kooperieren Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler weltweit. Bislang...

Im Focus: Wiener Forscher finden vollkommen neues Konzept zur Messung von Quantenverschränkung

Quantenphysiker/innen der ÖAW entwickelten eine neuartige Methode für den Nachweis von hochdimensional verschränkten Quantensystemen. Diese ermöglicht mehr Effizienz, Sicherheit und eine weitaus geringere Fehleranfälligkeit gegenüber bisher gängigen Mess-Methoden, wie die Forscher/innen nun im Fachmagazin „Nature Physics“ berichten.

Die Vision einer vollständig abhörsicheren Übertragung von Information rückt dank der Verschränkung von Quantenteilchen immer mehr in Reichweite. Wird eine...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Stadtklima verbessern, Energiemix optimieren, sauberes Trinkwasser bereitstellen

19.07.2018 | Veranstaltungen

Innovation – the name of the game

18.07.2018 | Veranstaltungen

Wie geht es unserer Ostsee? Ein aktueller Zustandsbericht

17.07.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Neue Anwendungen für Mikrolaser in der Quanten-Nanophotonik

20.07.2018 | Physik Astronomie

Need for speed: Warum Malaria-Parasiten schneller sind als die menschlichen Abwehrzellen

20.07.2018 | Biowissenschaften Chemie

Die Gene sind nicht schuld

20.07.2018 | Medizin Gesundheit

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics