Αρχική Ειδήσεις Μεγάλη επιτάχυνση στην έρευνα για νέα υλικά από τη χρήση υπερυπολογιστών

Μεγάλη επιτάχυνση στην έρευνα για νέα υλικά από τη χρήση υπερυπολογιστών

0

του Κώστα Κέντζου

Όταν το 1878, ο Τόμας Έντισον βάλθηκε να εφεύρει μικρές λυχνίες πυράκτωσης κατάλληλες για χρήση σε εσωτερικούς χώρους, έπρεπε να βρει ένα νήμα πυράκτωσης μακράς διάρκειας ζωής, σχετικά χαμηλής θερμοκρασίας και χαμηλής κατανάλωσης.

Άρχισε να δοκιμάζει χιλιάδες ανθρακούχα υλικά, από ίνες του κελύφους της καρύδας, μέχρι τρίχες από τα γένια συνεργάτη του στο εργαστήριο. Μετά από 14 μήνες έφτιαξε μια λάμπα πυράκτωσης με νήμα από απανθρακωμένη βαμβακερή κλωστή.

 Αν και θεωρήθηκε μεγάλη επιτυχία και ριζοσπαστική εφεύρεση, λίγα χρόνια αργότερα ένας άλλος εφευρέτης κατασκεύασε το ακόμα καλύτερο νήμα τουνγκστενίου (βολφραμίου), που χρησιμοποιείται στους λαμπτήρες πυράκτωσης μέχρι και σήμερα.

Η επιστήμη των υλικών, που ασχολείται με τις ιδιότητες των υλικών και τις τεχνικές επεξεργασίας της ύλης, ώστε να πάρει νέες και χρήσιμες μορφές, έχει προχωρήσει πολύ από τις μέρες του Τόμας Έντισον.

Η κβαντομηχανική έχει δώσει στους επιστήμονες βαθύτερη κατανόηση της συμπεριφοράς της ύλης (όχι όμως και των αιτίων της συμπεριφοράς αυτής) και κατά συνέπεια μεγαλύτερη δυνατότητα να καθοδηγούν την έρευνά τους με βάση τη θεωρία, παρά τις εικασίες. Παρ’ όλ’ αυτά, η ανάπτυξη νέων υλικών παραμένει μια επίπονη, χρονοβόρα και κοστοβόρα διαδικασία.

Τα μονοπώλια επενδύουν δισεκατομμύρια για το σχεδιασμό νέων υλικών, με στόχο να αποκτήσουν το τεχνολογικό προβάδισμα και τα ανάλογα κέρδη σε βάρος των ανταγωνιστών τους, αλλά οι επιτυχίες είναι λίγες και με μεγάλη χρονική απόσταση μεταξύ τους.

Το ίδιο συμβαίνει και στην έρευνα που διεξάγεται σε κρατικά πανεπιστήμια και καταλήγει και πάλι στα χέρια του κεφαλαίου, είτε μέσω ίδρυσης εταιρειών που συνήθως εξαγοράζονται σε λίγο καιρό από μονοπώλια, ή των απευθείας διασυνδέσεων της ακαδημαϊκής έρευνας με τις εταιρείες.

Νέος τρόπος σχεδίασης

Οι ερευνητές καταστρώνουν ερευνητικά σχέδια για νέα υλικά βασισμένοι στην εμπειρία, αλλά και στην έμπνευση που στηρίζεται στην επιστημονική τους κατάρτιση.

Η σύνθεση και δοκιμή αυτών των ιδεών περιλαμβάνει την εφαρμογή της διαδικασίας δοκιμής και λάθους (δηλαδή της απόρριψης των υλικών που διαπιστώνεται ότι δεν έχουν τελικά τα επιθυμητά χαρακτηριστικά).

Μπορεί να χρειαστούν μήνες για τον έλεγχο ενός νέου υλικού και συνήθως το αποτέλεσμα είναι αρνητικό. Στατιστικές δείχνουν ότι χρειάζονται 15 έως 20 χρόνια για να κατασκευαστεί ένα νέο υλικό με αρκετά χρήσιμες ιδιότητες, που θα το οδηγήσουν από το εργαστήριο στην παραγωγή.

Όταν μεγάλη εταιρεία ηλεκτρονικών ανακοίνωσε το 1991 την έναρξη εμπορικής διακίνησης των μπαταριών λιθίου, έμοιαζε με ξαφνική τεράστια πρόοδο. Στην πραγματικότητα χρειάστηκε να δουλέψουν εκατοντάδες – αν όχι χιλιάδες – εξειδικευμένοι ερευνητές επί δύο δεκαετίες, με άπειρες αποτυχίες, μέχρι να φτάσουν στις πρώτες εμπορικά αξιοποιήσιμες μπαταρίες λιθίου.

Τώρα η επιστήμη των υλικών είναι στα πρόθυρα μιας επανάστασης. Ο συνδυασμός ενός αιώνα προόδου της φυσικής με την υπολογιστική ισχύ που είναι διαθέσιμη σήμερα, επιτρέπει το προχώρημα πέρα από τη συμβατική διαδικασία εφεύρεσης νέων υλικών.

Πιο συγκεκριμένα, η εκθετική ανάπτυξη της υπολογιστικής ισχύος, συνδυαζόμενη με τη δουλειά του Γ. Κον και του Τζ. Ποπλ στις δεκαετίες του 1960 και του 1970, που ανέπτυξαν απλοποιημένες αλλά ακριβείς λύσεις στις εξισώσεις της κβαντικής μηχανικής, επιτρέπει το σχεδιασμό νέων υλικών με χρήση υπερυπολογιστών και θεμελιακών αρχών της φυσικής.

Η τεχνική ονομάζεται υψηλών επιδόσεων υπολογιστικός σχεδιασμός υλικών και βασίζεται στην απλή ιδέα της χρήσης υπερυπολογιστών για την ταυτόχρονη μελέτη εκατοντάδων ή και χιλιάδων χημικών ενώσεων, γρήγορα και αποτελεσματικά, αναζητώντας τα καλύτερα δομικά στοιχεία για ένα νέο υλικό, είτε πρόκειται για ηλεκτρόδιο μπαταρίας, είτε για κράμα μετάλλων, είτε για έναν νέο τύπο ημιαγωγού.

«Ξεσκαρτάρισμα» με υπολογιστή

Τα περισσότερα υλικά κατασκευάζονται από πολλές χημικές ενώσεις – τα ηλεκτρόδια των μπαταριών, που είναι σύνθετα υλικά αποτελούμενα από πολλές χημικές ενώσεις είναι ένα καλό παράδειγμα – ορισμένα όμως είναι πολύ απλούστερα.

Το γραφένιο για το οποίο έχει γραφτεί ότι είναι το μέλλον της ηλεκτρονικής, δεν είναι παρά ένα φύλλο άνθρακα με πάχος ενός ατόμου. Ανεξάρτητα από την πολυπλοκότητα του υλικού, ένα πράγμα είναι σίγουρο: οι ιδιότητές του – πυκνότητα, σκληρότητα, στιλπνότητα, ηλεκτρική αγωγιμότητα – καθορίζονται από τα κβαντικά χαρακτηριστικά των ατόμων από τα οποία είναι φτιαγμένο.

 Το πρώτο βήμα στον υψηλών επιδόσεων υπολογιστικό σχεδιασμό υλικών είναι η «ανάπτυξη» νέων υλικών με χρήση χιλιάδων κβαντομηχανικών υπολογισμών. Υπερυπολογιστής διατάσσει εικονικά άτομα σε εκατοντάδες ή χιλιάδες εικονικές κρυσταλλικές δομές. Στη συνέχεια υπολογίζονται οι ιδιότητες αυτών των εικονικών χημικών ενώσεων.

Με τι μοιάζουν οι κρυσταλλικές δομές; Πόσο συμπαγείς είναι; Πώς απορροφούν το φως; Τι συμβαίνει όταν παραμορφωθούν; Είναι μονωτές ή αγωγοί; Ο υπερυπολογιστής κατευθύνεται, ώστε να φιλτράρει μόνο τις ενώσεις που έχουν συγκεκριμένες επιθυμητές ιδιότητες και δεν αργούν να εμφανιστούν υποσχόμενες χημικές ενώσεις. Στο τέλος της διαδικασίας, τα δεδομένα που προέκυψαν από την έρευνα προστίθενται στη βάση δεδομένων, ώστε να είναι στο μέλλον στη διάθεση των ερευνητών.

Ήδη μια ερευνητική ομάδα έχει ενσωματώσει σε ανοιχτή και διαθέσιμη σε όλους τους ερευνητές βάση δεδομένων τα θεμελιώδη θερμοδυναμικά και ηλεκτρικά χαρακτηριστικά όλων των (περίπου 35.000) ανόργανων ενώσεων που συναντώνται στη φύση.

Έχει υπολογίσει ακόμα τα χαρακτηριστικά άλλων 1.000 ενώσεων που υπάρχουν προς το παρόν μόνο θεωρητικά.

Άλλη ομάδα έχει υπολογίσει τα χαρακτηριστικά δεκάδων χιλιάδων μεταλλικών κραμάτων, που μπορούν να αξιοποιηθούν για την κατασκευή ελαφρότερων και ανθεκτικότερων αυτοκινήτων, δομικών υλικών, υλικών της ατράκτου των αεροπλάνων κ.λπ.

Τρίτη ομάδα χρησιμοποιεί την τεχνική του υψηλών επιδόσεων υπολογιστικού σχεδιασμού υλικών για τη μελέτη καταλυτικών αντιδράσεων σε μεταλλικές επιφάνειες, τεχνολογία ιδιαίτερου ενδιαφέροντος στον τομέα της Ενέργειας.

ΑΦΗΣΤΕ ΜΙΑ ΑΠΑΝΤΗΣΗ

Please enter your comment!
Please enter your name here