التصنيع المتقدم والمواد الجديدة

المواد الجديدة هي مكونات أساسية للتقنيات الناشئة التي تعد بأن تكون مجالات نمو رئيسية للاقتصاد ، مثل الطاقة الشمسية الأقل تكلفة ، وبطاريات السيارات الكهربائية التي يمكن أن تطول بين الشحنات ، والأجهزة الإلكترونية المحمولة خفيفة الوزن ، والأجهزة الطبية القابلة للزرع للطب الشخصي. لكن الرحلة من مادة جديدة إلى منتج تستغرق عادة من عقد إلى عقدين. ويرجع ذلك إلى حد كبير إلى أن المواد الجديدة تتطلب تقنيات تصنيع متقدمة يمكن أن يستغرق تطويرها سنوات عديدة.

المواد الخام: تم الكشف عن هذه المادة ، التي يمكن استخدامها في كاثودات بطاريات الليثيوم أيون ، من خلال الفرز الحسابي. تمثل الأشكال المختلفة أجزاء مختلفة من المركب ، خليط من الليثيوم والمنغنيز والبورون والأكسجين.

يأمل البيت الأبيض في تقليص ذلك الوقت إلى النصف من خلال استثمار 100 مليون دولار في a مبادرة جينوم المواد تهدف إلى تشجيع الاستخدام الأكثر كفاءة لأدوات النمذجة الحسابية التي يستخدمها الباحثون للتنبؤ بخصائص المواد الجديدة. المبادرة التي هي جزء من البيت الأبيض شراكة التصنيع المتقدمة ، ستدعم الوصول المفتوح إلى هذه النماذج وقواعد البيانات عبر مجتمع علوم المواد على أمل ربط الأكاديميين بالصناعة في وقت مبكر من عملية التطوير.



كما هو الحال الآن ، لا يأخذ العلماء الذين يعملون مع المواد الجديدة في الاعتبار مشكلات التصنيع في وقت مبكر بما فيه الكفاية ، كما يقول سايروس واديا ، مساعد مدير الطاقة النظيفة والبحث والتطوير في المواد بمكتب سياسات العلوم والتكنولوجيا بالبيت الأبيض. نتيجة لذلك ، يمكن أن تقودهم أبحاثهم إلى طريق مسدود. ويعتقد أن طريقة تغيير ذلك هي تشجيع مجتمع علوم المواد بأكمله ، من الأكاديميين إلى المصنعين ، على مشاركة البيانات والأدوات الحسابية - جينوم المواد. يقول واديا إنه يريد من الباحثين أن يسألوا أنفسهم ، من فعل ذلك من قبل ، وماذا تعلموه ، وما الذي يمكن أن يتحمله السوق؟

بطارية الشحن الذاتي

كان علماء المواد يستخدمون نماذج تنبؤية بدرجات متفاوتة من النجاح على مدار العشرين عامًا الماضية ، حيث يتلاعبون بالبيانات حول خصائص مثل نقطة الانصهار ، أو الموصلية ، أو الطريقة التي يتفاعل بها المركب مع الآخرين للتنبؤ بما إذا كانت المادة مناسبة لتطبيق معين مثل قطب بطارية. الحسابات المتضمنة معقدة للغاية. ولكن بمجرد كتابة الكود الخاص بالتنبؤ بالمرشحين الواعدين لتطبيق معين ، يمكن تطبيقه لاختبار إمكانات أي مادة ، كما يقول جيربراند سيدر ، أستاذ علوم المواد في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا والمتخصص في النمذجة الحسابية لمواد قطب البطارية الجديدة. لسوء الحظ ، لا توجد بنية أساسية لمساعدة الباحثين على مشاركة بياناتهم والشفرة المستخدمة لحلها ، وقد أخذ عدد قليل من النماذج مشكلات التصنيع في الاعتبار.

يقول سيدر إن مشكلة التوسع والتصنيع هي أنك لا تفهم كل شيء. إذا تمكنا من صنع الأشياء بالضبط بالطريقة التي صنعناها بها في المختبر ، فلن تكون هناك مشكلة. لكنها لا تعمل بهذه الطريقة. الاختلافات الطفيفة في ظروف التصنيع أمر لا مفر منه عند التوسع من صنع جرامات من مادة إلى صنعها بالطن. والمواد التي تخرج من المعامل الأكاديمية اليوم أصعب من صنعها من مواد الماضي. تكتسب العديد من المواد المتقدمة خصائصها غير العادية من خلال الدقة الهيكلية الجزيئية أو حتى على المستوى الذري ، ولا يشبه صنعها صناعة الفولاذ ، على سبيل المثال. أنت تصنع الفولاذ عن طريق صهر المعادن معًا في وعاء ضخم ، كما يقول الكسندر كينج ، مدير مختبر أميس الوطني في ولاية أيوا. يقول كينج ، في تصنيع المواد المتقدمة ، عليك استخدام طرق أكثر تحكمًا ، وإلا فلن تفعل الذرات ما تريد. يمكن أن تؤدي التناقضات في التحكم في درجة الحرارة أو الخلط أو عوامل أخرى إلى الفشل. وقد يصعب ترجمة التقنيات المستخدمة لتحقيق الدقة على المستوى الذري في المختبر إلى التصنيع على نطاق واسع.

يتطلب صنع دفعات كبيرة من مادة معقدة باستمرار في مصنع دائمًا عمليات مختلفة عن تلك المستخدمة في عمل دفعات صغيرة في المختبر. هذا يعني المزيد من المال والوقت والمخاطرة. على سبيل المثال ، لنفترض أن معمل أبحاث قد صنع خلايا شمسية عاملة تبلغ مساحتها بوصة واحدة مربعة يتم إنشاء طبقتها النشطة عن طريق طباعة حبر جزيئات متناهية الصغر. يتطلب تسويق مثل هذه التكنولوجيا أن تقوم الشركة بتطوير العديد من تقنيات التصنيع. أولا يجب أن تعرف كيف تصنع الجسيمات النانوية على دفعات كبيرة. ثم يجب أن تجد صانع معدات لتوفير آلة مخصصة لطباعة تلك الأحبار على متر مربع ، أو تطوير تلك المعدات نفسها. لكنها قد لا تصل إلى تلك المرحلة. ماذا لو ، عندما يحاول الباحثون تكوين أعداد كبيرة من هذه الخلايا الشمسية ، لا يمكنهم ترتيب الجسيمات النانوية بطريقة متسقة ، والخلايا لا تعمل؟ في أي مرحلة ، قد يتم الكشف عن عيب قاتل.

تهدف مبادرة جينوم المواد إلى التنبؤ بمشاكل التصنيع هذه وإبعاد العلماء والمهندسين عنها في مرحلة مبكرة من مرحلة التطوير. يقول سيدر إن المشاكل المتعلقة بالانتقال من منصة المختبر إلى المصنع ليست شيئًا خاصًا. يتمثل التحدي الرئيسي الآن في أن المجموعات والشركات الفردية تعمل على تطوير مقتطفات من التعليمات البرمجية وتجميع البيانات حول المواد الجديدة والحالية ، ولكن ليس لديهم طريقة لمشاركة هذه المعلومات. إنهم يقدمون براءة اختراع ، وينشرون ورقة بحثية ، ويتوقف الأمر عند هذا الحد. سيجمع جينوم المواد كل هذه البيانات في قاعدة بيانات مركزية.

الثقافة الأكاديمية أكثر قابلية لمشاركة البيانات من ثقافة الشركة ، لكن واديا ، الذي كان يتحدث مع ممثلي شركات المواد الرئيسية حول هذه المبادرة على مدى السنوات القليلة الماضية ، يعتقد أن معامل الشركات ستساهم أيضًا. في الواقع ، سيكون من الصعب على مثل هذا المشروع أن ينجح بدونهم. سيبدأ في جيوب المجتمعات ، لكن علينا أن نحصل على كتلة حرجة حتى ينجح هذا ، كما يقول. تقوم الشركات التي تصنع مواد متقدمة بالفعل بتوليد كمية كبيرة من البيانات من خلال المراقبة اليومية لعمليات التصنيع ، ويأمل أن تشارك هذا النوع من المعلومات مع مبادرة جينوم المواد.

نعتقد أن الدور الرئيسي الذي يمكن أن تلعبه الصناعة هو توفير منظورنا حول كيفية استخدام المواد وتصميمها وتقييمها لتطبيقات المنتجات الصناعية ، كما تقول كريستين فورستوس ، المديرة الفنية للتصنيع وتقنيات المواد في أبحاث جنرال إلكتريك العالمية . نحن نستخدم عددًا كبيرًا من المواد التي يتم تطبيقها في العديد من الصناعات ولدينا اهتمام كبير بالمساعدة في تحسين أداء هذه المواد وقابليتها للتصنيع.

سيتم توزيع مبلغ 100 مليون دولار الأولي على أربع وكالات حكومية: المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا ، ووزارة الطاقة ، والمؤسسة الوطنية للعلوم ، ووزارة الدفاع. لن يعلق ممثلو البيت الأبيض على مقدار الأموال التي ستخصص لكل وكالة ولأي مشاريع محددة ، لكن التركيز ، كما يقول واديا ، ينصب على بناء البنية التحتية الحاسوبية. سيتم تجزئة الشكل الذي يجب أن تبدو عليه هذه البنية التحتية خلال العام المقبل. سيذهب التمويل أيضًا إلى المبادرات التعليمية.

يقول سيدر إن المواد الجديدة هي عوامل تمكين رئيسية للتصنيع. إذا كنت ستزيد التصنيع في الولايات المتحدة ، فلن تفعل ذلك باستخدام التقنيات القديمة.

يمكن للبشر أن يدخلوا في الحرارة
يخفي

التقنيات الفعلية

فئة

غير مصنف

تكنولوجيا

التكنولوجيا الحيوية

سياسة التكنولوجيا

تغير المناخ

البشر والتكنولوجيا

وادي السيليكون

الحوسبة

مجلة Mit News

الذكاء الاصطناعي

الفراغ

المدن الذكية

بلوكشين

قصة مميزة

الملف الشخصي للخريجين

اتصال الخريجين

ميزة أخبار معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا

1865

وجهة نظري

77 Mass Ave

قابل المؤلف

ملامح في الكرم

شوهد في الحرم الجامعي

خطابات الخريجين

أخبار

انتخابات 2020

فهرس With

تحت القبه

خرطوم الحريق

مؤشر With

قصص لانهائية

مشروع تكنولوجيا الوباء

من الرئيس

غلاف القصه

معرض الصور

موصى به