Un software de simulación automatizada crea un mapa mundial de las propiedades de los polímeros

02.01.2023 - Japón

"La informática de materiales (IM), una nueva rama de la investigación de materiales que combina los datos de materiales con la ciencia de datos, está ganando terreno", afirma el coautor Yoshihiro Hayashi, profesor adjunto del Instituto de Matemáticas Estadísticas de la Organización de Investigación de Información y Ciencia (ROIS). Hayashi también está afiliado al Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Tokio. "MI aplica el aprendizaje automático para predecir nuevos materiales con propiedades innovadoras y sus métodos de fabricación a partir de un vasto espacio de diseño. Como tal, los datos son el recurso más importante en MI".

A pesar de la necesidad, dijo Hayashi, los esfuerzos para crear una base de datos completa de propiedades de polímeros que permita la investigación basada en datos se han quedado cortos.

"Para crear una base de datos de propiedades de polímeros mediante simulaciones moleculares, hemos desarrollado RadonPy", explica Hayashi. "Es el primer programa de código abierto que automatiza con éxito el cálculo de las propiedades físicas de los polímeros mediante simulaciones de dinámica molecular clásica basadas en modelos atomísticos, que tienen en cuenta el comportamiento y las características de cada uno de sus componentes".

El programa toma un polímero asignado y ejecuta cálculos para equilibrarlo en los parámetros prescritos del sistema. Una vez hecho esto, puede calcular la densidad del polímero, su radio de giro, su índice de refracción, su conductividad térmica y su capacidad calorífica específica a presión y volumen constantes, entre otros datos. RadonPy produce y almacena los datos, a los que se puede acceder posteriormente. Los investigadores también aplicaron una técnica de aprendizaje automático denominada aprendizaje por transferencia para corregir sesgos y variaciones entre los valores de las propiedades simuladas y los datos experimentales.

"En este estudio, se calcularon más de 1.000 polímeros amorfos únicos en unos dos meses, utilizando principalmente el superordenador Fugaku", explica el coautor Ryo Yoshida, profesor del Instituto de Matemática Estadística de ROIS, la División de Investigación y Servicios de Datos de Materiales y Sistema Integrado del Instituto Nacional de Ciencia de Materiales y el Departamento de Ciencia Estadística de la Graduate University of Advance Studies. "El programa implementa un conjunto de funciones de cálculo automático para 15 propiedades diferentes, que se compararon sistemáticamente con datos experimentales para validar las condiciones de cálculo. También verificamos exhaustivamente la concordancia entre seis propiedades obtenidas a partir de cálculos de dinámica molecular de alto rendimiento y los valores experimentales."

El equipo de investigación también identificó ocho polímeros amorfos con alta conductividad, según Yoshida. Ahora, el grupo está utilizando RadonPy para crear la mayor base de datos abierta del mundo sobre física de polímeros, con más de 100.000 especies de polímeros diferentes. Además de ROIS, tres universidades y 19 empresas se están asociando para desarrollar conjuntamente otras bases de datos con RadonPy para diversas aplicaciones en el mundo académico y la industria.

"Este proyecto creará un mapa mundial de las propiedades de los materiales poliméricos", afirma Hayashi. "Este tipo de observaciones exhaustivas no pueden lograrse únicamente mediante enfoques experimentales que requieren costes considerables, como en la síntesis de materiales. Esta investigación es el primer paso hacia un nuevo horizonte de la ciencia de los polímeros".

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Publicación original

Hayashi, Y., Shiomi, J., Morikawa, J. et al. RadonPy: automated physical property calculation using all-atom classical molecular dynamics simulations for polymer informatics. npj Comput Mater 8, 222 (2022)

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