材料信息学的发展与应用

作者:zilmadmin发布时间:2020-08-17441 次浏览

据麦姆斯咨询介绍,材料信息学(MI)涉及在材料科学研发中应用以数据为中心的方法。目前已有多种策略方案,并且已经 […]

据麦姆斯咨询介绍,材料信息学(MI)涉及在材料科学研发中应用以数据为中心的方法。目前已有多种策略方案,并且已经有一些值得关注的成功案例。材料信息学的应用可谓正当时,忽视这种转变或将错失很多机会和成本。英国知名研究机构IDTechEx在这份最新的报告中提供了关于这一新兴领域的重要洞察和商业展望。通过本报告的技术性解读,用户将对材料信息学领域的参与方、商业模式、技术和应用领域有一个详细而全面的了解。

什么是材料信息学?

材料信息学利用以数据为中心的方法促进材料科学的发展,是一个将信息学原理应用于材料科学和工程学的研究领域,以增进对材料的理解、使用、选择、开发和发现。其目标是实现各种材料数据快速而强大的采集、管理、分析和分发,以期大大减少开发、生产和部署新材料所需要的时间和风险。材料信息学可以采取多种策略方案,并影响新材料研发的各个方面(假设、数据处理和获取、数据分析、知识提取)。

材料信息学典型工作流程

基本上来说,材料信息学基于使用数据基础设施并利用机器学习(ML)解决方案来设计新材料,为特定应用发现材料并优化其加工处理。

材料信息学应用

材料信息学可以加速创新的“前进”方向(为输入的材料实现某些特性),但更理想化的解决方案是调转思维,根据我们需要的特性来设计材料。

不过,它并不是一辆“直通车”,目前仍处于初级阶段。许多情况下,数据基础设施还不完善,并且,材料信息学算法对于给定的实验数据往往还不够成熟。这方面的挑战与其它人工智能领域(如自动驾驶汽车或社交媒体)不同,参与机构通常需要面对稀疏、高维、有偏差和噪音的数据。

材料信息学应用正当时

当然,与部分人的预期不同,材料信息学并不会取代材料研究科学家。如果正确整合,材料信息学可以成为一套能够加速研发进程的技术。在大部分专家看来,材料信息学的最终目标是成为人类监管的自主运行的材料研究实验室。虽然该领域仍处于早期阶段,但已经有了重要进展,并且,材料信息学已经催生了很多初创公司和成功的故事。

在化学和材料领域,机器学习方法将无处不在

未来,所有材料科学家和化学家都可以利用机器学习工具来加强他们的研发。这些基础操作的无缝集成虽然不会很快实现,但是,忽视材料信息学的发展,肯定会错失重要的竞争优势。

材料信息学对化学和材料垂直细分领域的长中短期影响

目前已经有大量的佐证,但是,最有力的证据还是来自行业的真实反馈。最近几年来,很多最著名的化学和材料公司在这方面大举投入,包括建立的合作伙伴关系、研发投入相关的进展公告(下图用新闻快照列举了一些案例)。在这份最新的材料信息学报告中,用户可以掌握有关这些厂商如何利用材料信息学的更多信息以及该领域的前景。

上图展示了材料信息学领域的一些重要进展,包括了许多全球知名厂商(很多来自日本),大部分新闻都与“加速材料研发”有关。

机器学习本身可以用于很多不同的项目,包括发现新的材料结构-特性关系,提出新的候选材料或处理条件,减少高成本且耗时的计算机模拟等等。机器学习可以采用多种形式的有监管和无监管的学习方法。生成模型可以有效地筛选有机化合物的最优结果,即使是简单修改的随机森林模型(Random Forest)也可以用于提出后续反应,以满足所需要的一组标准。材料信息学应用机器学习目前仍处于早期阶段,还需要进一步的开发。其它领域的人工智能发展可以发挥很多作用,但整合专业领域知识和应对材料数据集的独特挑战至关重要。

材料信息学的应用空间很广,通过调研表明它已成功应用于有机金属、热电、纳米材料和陶瓷等多个材料领域。IDTechEx在本报告中覆盖了大量相关的应用领域,展示了材料信息学在这些项目中的关键角色,提供了有关这些领域的市场信息,并重点突出了材料信息学已经深刻影响的4个值得关注的领域。

软材料是一个比较宽泛的术语,涵盖了广泛的泡沫剂、润滑剂、粘合剂、聚合物等材料。这些材料是材料信息学最早有望取得成功的领域。这些材料的配方需要大量的原料组合和工艺条件,因此是最适合材料信息学大显身手的方向。

材料信息学领域的各类参与方

对于大多数应用来说,进入壁垒相对较少,研究特性可以从物理性质(粘度、拉伸强度、玻璃温度等)到毒性、成本和供应链等其它因素。几乎所有的材料信息学厂商在这方面都有客户,聚氨酯和环氧树脂是最典型的探索材料,但仅此一点的潜力就很大。

增材制造是一个针对聚合物和金属材料迅速拥抱材料信息学方法的领域。这是一项快速发展的技术,材料将成为该领域营收的重要来源。许多厂商利用现有原料的处理过程,如果应用材料信息学开发为独特工艺定制的原料,将有助于充分释放这一领域的全部潜力。

业界对金属有着极大的兴趣,QuesTek Innovations、Intellegens、Exponential Technologies和Citrine Informatics都在这一领域非常活跃。除了提供平台和研究项目外,许多公司还利用这些先进的研发方法来构建知识产权(IP)组合。例如,OxMet Technologies开发了多种合金(特别是高温镍超合金)的IP组合,Phaseshift Technologies利用印刷工艺的快速冷却速率在非晶态合金领域有所建树。

能量存储是当前很多科技公司研发支出的主要领域之一。正在兴起的电动交通工具(陆地、海上和空中)以及固定式储能等机遇的出现,意味着几乎所有厂商都希望参与其中。随着内燃机被逐步取代,一些公司可能正在失去市场,而另一些公司则看到了过去无法涉及的利润丰厚行业的合作机会。

IDTechEx在电动交通工具和储能领域有着广泛而深入的研究,预计未来10年锂离子电池的年需求量将超过1 TWh。IDTechEx的研究覆盖了能量存储相关的所有应用,以及锂离子电池的回收,锂离子电池及其它变体的电芯、包装以及电池组级别的技术变迁。

本质上来说,大多数储能技术的发展都依赖于材料。从先进的阴极和阳极材料,到固态电解质等等。在热稳定性、电势、循环寿命和容量方面有许多考量因素,另外,还涉及材料的处置和处理,以及经济性和供应链等方面的问题。这使其成为材料信息学的一个重要应用领域,丰田研究院(Toyota Research Institute)、三星、Saft等厂商已经很积极地在探索这一领域。

有机电子是另一个令人兴奋的应用领域,它涵盖广泛,包括了工艺简化、衬底兼容性、可调性等吸引人的特性。在显示器、传感器、光伏等垂直领域已经看到了广泛的应用。IDTechEx预计柔性、印刷和有机电子行业,未来10年内市场规模将超过400亿美元。

材料信息学在有机电子领域也有巨大的应用潜力。例如,三星正在研究OTFT和OPV的候选材料,松下正在研究具有合适电荷迁移率的杂并苯(heteroacenes)化合物,Kebotix则在探索智能窗户的电致变色技术。这一领域有着巨大的潜力有待进一步探索。

IDTechEx在这份报告中提供了对材料信息学相关厂商的预测、路线图、概况、技术评估和应用领域介绍。IDTechEx凭借在多个关键垂直领域的专业知识,为读者提供了该领域进展的全面介绍和深刻见解。