Materiálová informatika - Materials informatics

Materiálová informatika je obor, který aplikuje principy informatika na věda o materiálech a inženýrství ke zlepšení porozumění, použití, výběr, vývoj a objev materiálů. Jedná se o rozvíjející se obor s cílem dosáhnout vysokorychlostního a robustního získávání, správy, analýzy a šíření údajů o různých materiálech s cílem výrazně snížit čas a riziko potřebné pro vývoj, výrobu a nasazení nových materiálů, což obvykle trvá déle než 20 let.[1][2]

Tato oblast úsilí se neomezuje na některá tradiční chápání vztahu mezi materiály a informacemi. Některé užší interpretace zahrnují kombinatorická chemie, Procesní modelování, databáze vlastností materiálů, správa údajů o materiálech a řízení životního cyklu produktu. Materiálová informatika je v sbližování těchto pojmů, ale také je překračuje a má potenciál dosáhnout většího porozumění a hlubšího porozumění uplatněním poznatků získaných z údajů shromážděných na jednom druhu materiálu ostatním. Shromážděním vhodných meta data, hodnotu každého jednotlivého datového bodu lze značně rozšířit.

Databáze

Databáze jsou nezbytné pro jakýkoli informatický výzkum a aplikace. V materiálové informatice existuje mnoho databází, které obsahují jak empirická data získaná experimentálně, tak teoretická data získaná výpočetně. Velká data, která lze použít pro strojové učení, je obzvláště obtížné získat pro experimentální data kvůli nedostatku standardu pro vykazování dat a variabilitě v experimentálním prostředí. Tento nedostatek velkých dat vedl k rostoucímu úsilí při vývoji technik strojového učení, které využívají extrémně datové sady dat. Na druhou stranu existuje velká jednotná databáze výpočtů funkční teorie teoretické hustoty (DFT). Tyto databáze prokázaly svou užitečnost při prověřování a zjišťování materiálu s vysokou propustností. Níže jsou uvedeny některé běžné databáze DFT a nástroje s vysokou propustností:

  • Databáze: MaterialsProject.org, MaterialsWeb.org
  • Software HT: Pymatgen, MPInterfaces

Kromě výpočetních metod?

Koncept materiálové informatiky se zabývá Společnost pro výzkum materiálů. Například informatika o materiálech byla tématem čísla z prosince 2006 Bulletin MRS. Toto číslo hostově upravili John Rodgers ze společnosti Innovative Materials, Inc. a David Cebon z Cambridge University, který popsal „vysoké přínosy pro vývoj metodik, které urychlí vkládání materiálů, čímž ušetří miliony investičních dolarů.“

Redaktoři se zaměřili na omezenou definici materiálové informatiky, protože se primárně zaměřili na výpočetní metody pro zpracování a interpretaci dat. Uvedli, že „specializované informační nástroje pro sběr, správu, analýzu a šíření dat“ a „pokrok ve výpočetní síle ve spojení s výpočtovým modelováním a simulací a databázemi vlastností materiálů“ umožní takové zrychlené vkládání materiálů.

Širší definice materiálové informatiky jde nad rámec použití výpočetních metod k provádění stejných experimentů,[3] prohlížení informatiky materiálů jako rámce, ve kterém je měření nebo výpočet jedním krokem v procesu učení založeného na informacích, který využívá sílu kolektivu k dosažení vyšší efektivity průzkumu. Je-li tato struktura správně organizována, překračuje hranice materiálů, aby odhalila základní znalosti o základech fyzikálních, mechanických a technických vlastností.

Výzvy

I když existuje mnoho lidí, kteří věří v budoucnost informatiky v procesu vývoje a škálování materiálů, zůstává mnoho výzev. Hill a kol. Píšou, že „Materiálová komunita dnes čelí vážným výzvám při zavádění tohoto paradigmatu výzkumu urychleného daty, včetně rozmanitosti oblastí výzkumu v materiálech, nedostatku standardů dat a chybějících pobídek pro sdílení, mimo jiné. se krajina rychle mění způsoby, z nichž by měl mít prospěch celý podnik v oblasti materiálového výzkumu. “[4]Toto zbývající napětí mezi tradičními metodikami vývoje materiálů a použitím více výpočetních metod, strojového učení a analytických přístupů bude pravděpodobně existovat po nějakou dobu, protože materiálový průmysl překonává některé z kulturních překážek nezbytných k plnému přijetí těchto nových způsobů myšlení.

Analogie z biologie

Zastřešující cíle bioinformatiky a systémové biologie mohou poskytnout užitečnou analogii. Andrew Murray z Harvardská Univerzita vyjadřuje naději, že takový přístup „nás zachrání z doby„ jednoho postgraduálního studenta, jednoho genu, jednoho doktoranda “.[5] Podobně cílem materiálové informatiky je zachránit nás od jednoho postgraduálního studenta, jedné slitiny, jednoho PhD. Takové cíle budou vyžadovat sofistikovanější strategie a paradigmata výzkumu než použití výpočetních metod na stejné úkoly stanovené v současné době studenty.

Společnosti a organizace

Mezi organizace, které pracují na materiálové informatice, patří:

Viz také

externí odkazy

Reference

  1. ^ Mulholland, Gregory; Paradiso, Sean (23. března 2016). „Perspektiva: Materiálová informatika v celém životním cyklu produktu: Výběr, výroba a certifikace“. Materiály APL. 4 (5): 053207. doi:10.1063/1.4945422.
  2. ^ Rickman, J.M .; Lookman, T .; Kalinin, S.V. (15. dubna 2019). "Materiálová informatika: Od atomové úrovně po kontinuum". Acta Materialia. 168: 473–510. doi:10.1016 / j.actamat.2019.01.051.
  3. ^ "informaticsresearch.net". Archivovány od originál dne 29. 04. 2007. Citováno 2007-03-10.
  4. ^ Hill, Joanne; Mulholland, Gregory; Persson, Kristin; Seshadri, Ram; Wolverton, Chris; Meredig, Bryce (4. května 2016). „Věda o materiálech s rozsáhlými daty a informatikou: uvolnění nových příležitostí“. Bulletin MRS. 41 (5): 399–409. doi:10.1557 / paní.2016.93.
  5. ^ http://www.100md.com/html/DirDu/2007/02/17/37/06/78.htm
  • Kapitola 5: Důležitost údajů [1] v Chystáte se do extrémů: Splnění vznikající poptávky po odolných polymerních maticových kompozitech [2]
  • Bulletin MRS: Materials Informatics, svazek 31, č. 12.[3]