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Towards Quantifying the Synthesizability of Materials

English title Towards Quantifying the Synthesizability of Materials
Applicant Goedecker Stefan
Number 191994
Funding scheme Project funding
Research institution Departement Physik Universität Basel
Institution of higher education University of Basel - BS
Main discipline Physical Chemistry
Start/End 01.10.2020 - 31.03.2024
Approved amount 535'470.00
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All Disciplines (3)

Discipline
Physical Chemistry
Information Technology
Other disciplines of Physics

Keywords (3)

materials discovery; structure prediction; free energy methods

Lay Summary (German)

Lead
Vorhersagen zur Synthetisierbarkeit neue MaterialienLEAD:Neue, verbesserte Materialien sind ein essentieller Bestandteil fuer die Einfuehrung vieler neuer Technologien.Dies ist vorallem der Fall im Bereich der Erzeugung erneuerbarere Enereien sowie deren Speicherung.In diesem Zusammenhang sucht man z. B. nach verbesserten Materialien fuer Solarzellen sowie zur chemischen Speicheungvon Wasserstoff. Simulationsmethoden spielen eine wichtige Rolle bei dieser Suche nach neuen Materialien.Es ist heutzutage moeglich voellig neue Materialien auf dem Computer zu generieren und dann ihre Eigenschaftenzu vorherzusagen.
Lay summary

Inhalt und Ziel des Forschungsprojekts
Die Erfahrung hat gezeigt, dass man in Compuersimulatioonen viel mehr moegliche Materialien findet als
man experimentell synthetisieren kann. Es ist gegenwaertig voelling unklar was der Grund dafuer ist.
Es koennte sein, dass man einfach komplizierte Synethesewege noch nicht gefunden hat oder dass
gewisse Strukturen von theoretisch gefundenen Materialien aus bisher unbekannten Gruenden nicht existieren koennen.
In diese grundlegende Frage soll dieses Forschungsprojekt Licht bringen.
Dazu muessen verbesserte Simulationsmehoden entwickelt werden. Diese Methoden sollen in einem ersten Schritt
erlauben mit hoeherer Genauigkeit vorherzusagen was die thermodynamische Stabilitaet der verschiedenen Strukturen ist,
da man erwarten kann, dass nur die Strukturem mit hoechster Stabilitaet, i.e tiefster freier Energie, synthetisierbar
sind. In dem naechsten Schritt soll dann ueberprueft werden ob alle Strukturen hoher Stabilitaet  auch kinetisch
erreichbar sind, d.h. ob es Reaktionspfade gibt die zu diesen Strukturen hinfuehren.



Wissenschaftlicher und Gesellschaftlicher Kontext des Forschungsprojekts
Das Projekt soll zunaechst eine fundamentale Frage der Festkoerperphysik beantworten, naemlich
welche Materialien koennen existieren. Wenn diese Frage besser verstanden ist koennen experimentelle Syntheseanstrengungen
gezielter auf synthetisierbare Materialien fokusiert werden und somit das Auffinden von neuen Materialien beschleunigen.

Keywords:
Materials discovery, structure prediction, free energy methods, reaction pathways

Direct link to Lay Summary Last update: 12.05.2020

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
182877 Development of a Neural Network Potential with Accurate Electrostatic Interactions 01.04.2019 Project funding

Abstract

The discovery of new materials is an essential ingredient for technological progress. It is generally agreed upon that simulation methods can make important contributions to this field and extensive research activities are under way worldwide. In this context unbiased structure prediction methods have revealed a large number of possible structures for numerous materials. However only a relatively small fraction of these structures can be found in nature or can be synthesized in the laboratory. This observation poses fundamental and technological challenges. One would like to understand whether the unobserved structures can for some hitherto unknown fundamental reason not exist or whether simply the correct synthesis recipe has not yet been found. If they can not exist, synthesis should not be tried for these materials. If they may exist, simulation could give guidance to synthesis efforts. Since a time resolved atomistic simulation of the actual nucleation and growth processes occurring during synthesis is not feasible in connection with a high-accuracy description of the potential energy surface, we will use concepts from thermodynamics to predict the final structure without following the relevant processes in time. In this context, it will be necessary to develop much more efficient methods to calculate free energies. To understand the behavior of the free energy at formation conditions requires developing improved methods to calculate this quantity at high temperatures, where the harmonic approximation breaks down. To obtain the correct energetic ordering at room temperature, it is frequently necessary to include nuclear quantum effects into the free energy calculations. Applying some of the latest mathematical tools, we will develop novel algorithms that are considerably more powerful than the existing ones. Finally we will also search for new quantities that can be obtained from the potential energy surface at affordable numerical cost and that contain relevant information about the synthesizability of a material. All these new methods should then finally allow to directly assess the synthesizability of a material. The new methods will be used for several materials that have potential applications in energy production and storage. Preferentially materials will be used that have already been studied in the group and for which fast machine learning force fields will be available when the project starts.
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