Daten-getriebene Methoden zur Entdeckung neuer Materialien: gemeinsame DRESDEN-concept Research Group des HZDR und der TU Dresden
15.09.2023
Dr. Rico Friedrich ist Leiter der DRESDEN-concept Research Group “Autonomous Materials Thermodynamics – AutoMaT”, welche gemeinsam vom Lehrstuhl für Theoretische Chemie der Technischen Universität Dresden (TU Dresden) und dem Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) getragen wird.
Jede Technologie ist inhärent mit einer ausgewählten Materialplattform verknüpft. So basiert die Informationstechnologie auf Silizium, moderne Batterien bestehen aus Lithiumverbindungen und magnetische Materialien sind für den Energiesektor von entscheidender Bedeutung. Autonomes Materialdesign zielt darauf ab, datengetriebene Methoden für die selbstgesteuerte Entdeckung von Materialien zu nutzen. Das Ziel des AutoMaT-Projekts ist es, diesen Ansatz im Kontext der Materialthermodynamik anzuwenden, um neue zweidimensionale (2D) und hochentropische Verbindungen für potenzielle elektronische Anwendungen und den Energiesektor vorherzusagen.
Dabei kann die ab Oktober 2022 eingerichtete Nachwuchsgruppe unter der Leitung von Dr. Rico Friedrich auf die Expertise des Lehrstuhls für Theoretische Chemie der TU Dresden und des HZDR zurückgreifen. Der Lehrstuhl für Theoretische Chemie bietet mit seiner Erfahrung in international führenden Materialsimulationstechniken ein besonders fruchtbares Umfeld für die Forschung der AutoMaT-Gruppe. Am HZDR ist die Gruppe mit der Materialforschungsstrategie des Instituts für Ionenstrahlphysik und Materialforschung sowie dem Center for Advanced Systems Understanding (CASUS) verbunden, die ein optimales Umfeld für die Forschung an nanoskaligen Systemen und für datengetriebene Wissenschaft bieten.
Die Thermodynamik steht im Zentrum der Materialentwicklung, da sie die Herstellbarkeit thermodynamisch stabiler Systeme gewährleistet. Allerdings sind theoretische Standardansätze oft nicht in der Lage, die thermodynamische Stabilität vieler Materialien zuverlässig vorherzusagen, was das Materialdesign beeinträchtigt.
Die von Dr. Rico Friedrich entwickelte Methode der Coordination Corrected Enthalpies (CCE) bietet einen Ausweg aus diesem Problem und ermöglicht eine effiziente Vorhersage der thermodynamischen Stabilität von Verbindungen. Bevor der heutige DRESDEN-concept-Forschungsgruppenleiter nach Dresden kam, entwickelte er diesen neuen Ansatz als Feodor Lynen-Forschungsstipendiat der Alexander von Humboldt-Stiftung an der Duke University in den USA. Als Adjunct Professor am Center for Autonomous Materials Design der Duke University profitieren Dr. Friedrich und seine Gruppe weiterhin von der engen Zusammenarbeit mit dieser Einrichtung.
Bereits seit 2021 ist Dr. Friedrich assoziiertes Mitglied im DFG-Sonderforschungsbereich 1415 „Chemistry of Synthetic Two-Dimensional Materials“ der TU Dresden, an dem zudem weitere DRESDEN-concept-Partner beteiligt sind: das Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden e. V., das Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden sowie das HZDR. Dieser Verbund eröffnet weitreichende Möglichkeiten und gegenseitige Vorteile für die Untersuchung nanoskaliger Materialien und die Nutzung von Synergien beim Design von 2D-Systemen.
Ein geeignet formulierter Deskriptor wird es ermöglichen, neue Kandidaten für die Realisation von 2D Systemen in der AFLOW Datenbank — einer der größten Sammlungen von berechneten Materialdaten weltweit — zu identifizieren und deren Eigenschaften zu untersuchen.
Ungeordnete Materialien sind ebenfalls ideal für datengetriebene Untersuchungen, da sie als (große) Menge geordneter Systeme modelliert werden können. Die geplanten Arbeiten zielen insbesondere auf die Vorhersage ungeordneter hochentropischer Keramiken ab. Diese Systeme werden unter dem neuen Paradigma entworfen, dass Entropiegewinn und nicht Enthalpiegewinn die treibende Kraft bei der Bildung des Materials ist. Die autonomen Vorhersagen können somit gezielt experimentelle Untersuchungen leiten.
Die DRESDEN-concept Research Group “Autonomous Materials Thermodynamics – AutoMaT” bereichert die Dresdner Forschung an der Schnittstelle von Chemie, Physik und Materialwissenschaften mit ihren datengetriebene Ansätze, die für die Entdeckung und Nutzung bisher unerforschter Materialklassen von entscheidender Bedeutung sein können.
Über DRESDEN-concept Research Groups:
DRESDEN-concept bieten herausragenden Nachwuchswissenschaftler:innen einen optimalen Rahmen zur Etablierung einer eigenen unabhängigen Arbeitsgruppe und eröffnen ihnen attraktive Karrierewege. Die Arbeitsgruppen adressieren innovative Forschungsthemen und können dabei auf die Expertise von zwei DDc-Partnereinrichtungen zurückgreifen, welche die DDc Research Group gemeinsam tragen.
