Van kwantumniveau naar auto-accu

Fraunhofer-Institut für Algorithmen und Wissenschaftliches Rechnen meldt: door de combinatie van multischalaire modellen, data-analyse en machine learning is het mogelijk geoptimaliseerde materialen duidelijk sneller te ontwikkelen.

Het zoeken naar het juiste materiaal voor een toepassing begint meestal in materiaaldatabanken. Deze geven uitsluitsel over bepaalde eigenschappen, maar gaan meestal niet genoeg voor zinvolle oordelen of een materiaal precies de gezochte eigenschappen heeft. Om dat uit te vinden, moeten talrijke testen in het laboratorium worden uitgevoerd.

Wetenschappers van Fraunhofer-Institut für Algorithmen und Wissenschaftliches Rechnen (SCAI) in Sankt Augustin (bij Bonn) kozen een andere benadering. De eisen aan het materiaal worden teruggebracht tot de inwendige structuur van het materiaal, dus tot atomair niveau. Speciaal ontwikkelde software, Tremolo-X, berekent vervolgens hoe de deeltjes van het materiaal zich gedragen wanneer bepaalde fysische effecten op ze inwerken. Daarop kan worden besloten of op basis van deze deeltjes een materiaal met de gewenste eigenschappen kan worden ontwikkeld.

Atomaire simulaties

Vaak duurt een ontwikkelproces voor een nieuw materiaal tien tot twintig jaar; tijdrovend en kostbaar. Het idee is om via virtuele processen het aantal kandidaten steeds verder te beperken, tot er maar een paar over zijn die vervolgens in het laboratorium worden getest. Daarvoor moeten eerst de eisen aan het materiaal worden gedefinieerd. Bijvoorbeeld hoe snel een materiaal moet afkoelen of welke belastingen het moet doorstaan.Dit wordt met software op twee verschillende manieren gesimuleerd. Op atomair of zelfs kwantumniveau worden virtuele deeltjes gesimuleerd. Hoe gedragen ze zich? Hoe reageren de deeltjes met elkaar? De andere methode leidt uit beschikbare data en kennis voorspellingsmodellen af, die het mogelijk maken de eigenschappen van een materiaal te voorspellen.

Multiscalaire modellering

Deze aanpak wordt duidelijk bij de multiscalaire modellering zoals die onder andere in de chemische industrie wordt gebruikt. Hier wordt eerst op kwantumniveau de chemie van het materiaal beschreven Deze informatie wordt overgedragen op steeds grovere modellen die moleculen en hun fysische eigenschappen weergeven.

Willen de onderzoekers bijvoorbeeld bij een lithiumionen-batterij voorspellen hoe goed het elektrolyt is respectievelijk hoe snel de ionen diffunderen, dan simuleren ze eerst de deeltjes op kwantumniveau en zien wat daar voor reacties plaatsvinden. Met deze informatie krijgen ze op het volgende niveau uitsluitsel over hoe de deeltjes zich op atomair niveau bewegen. Van hieruit kunnen ze een schaal naar boven en kijken hoe het elektrolyt zich in de macroscopische wereld gedraagt. Aldus krijgen ze een nauwkeurig inzicht in alle procesverlopen en kunnen processen aanpassen of veranderen.

Behalve materialen kunnen ook processen op deze manier worden getest en geoptimaliseerd. Door de simulatie van de procesverlopen op atomair of moleculair niveau in een virtuele reactor kunnen exact de plaatsen of parameters worden geïdentificeerd die kunnen worden geoptimaliseerd. Ook minuscule objecten kunnen gedetailleerd worden weergegeven. De foto toont het atomair model van het tabakmozaïekvirus (foto: Fraunhofer SCAI).