Computergestützte Materialforschung und künstliche Intelligenz haben es in den vergangenen zehn Jahren möglich gemacht: zahlreiche vielversprechende neue Materialien für Energieanwendungen, Katalyse und Nachhaltigkeit wurden innerhalb kurzer Zeit identifiziert. Ein Nadelöhr bleibt bisher aber bestehen: Für viele theoretisch aussichtsreiche Materialien ist unklar, ob und wie sie sich herstellen und in industrielle Produktionsprozesse überführen lassen. Um diese Lücke zu schließen, wird ein neu gefördertes Projekt unter der Leitung von Prof. Dr. Christof Schulz von der Universität Duisburg-Essen untersuchen, wie hochentwickelte Diagnostikverfahren und maschinelles Lernen die Materialsynthese besser vorhersagbar machen können.
Das Projekt wurde vom Europäischen Forschungsrat (European Research Council, ERC) mit dem renommierten ERC Advanced Grant ausgezeichnet, der über fünf Jahre hinweg Fördermittel in Höhe von 2,9 Millionen Euro bereitstellt.
Die Synthetisierbarkeit – also die Frage, ob sich ein theoretisch vorhergesagtes Material zuverlässig herstellen lässt – gehört nach wie vor zu den am wenigsten verstandenen Aspekten der modernen Materialwissenschaft. Das neu geförderte ERC-Projekt Autonomous Aerosol Synthesis of Functional Nanomaterials (AEROSYN) will diese Herausforderung angehen, indem es fortschrittliche In-situ-Diagnostik, Echtzeit-Prozessüberwachung und Methoden des maschinellen Lernens kombiniert. Anstatt einzelne Experimente als isolierte „Rezepte“ zu betrachten, untersucht das Forschungsteam die Materialsynthese als dynamischen Prozess. Im Mittelpunkt stehen flammenbasierte Syntheseverfahren, die bereits heute für die industrielle Herstellung moderner Oxidmaterialien geeignet sind.
Die zentrale Hypothese von AEROSYN lautet, dass selbst hochkomplexe Synthesevorgänge sogenannte „Stabilitätsinseln“ enthalten – Bereiche im Prozessraum, in denen die Materialbildung robust und vorhersagbar abläuft. Indem das Forschungsteam diese Bereiche identifiziert und ihren Einfluss auf die Materialeigenschaften verstehen lernt, soll die Herstellung neuer Materialien künftig deutlich besser planbar werden.
„Eine große Herausforderung der heutigen Materialforschung besteht darin, dass ein und dasselbe Material je nach Herstellungsweg unterschiedliche Eigenschaften aufweisen kann“, sagt Projektleiter Christof Schulz. „In AEROSYN wollen wir die Zusammenhänge zwischen Syntheseprozess, Materialstruktur und Eigenschaften verstehen. Daraus wollen wir neue Strategien zur Materialentwicklung ableiten, die von vornherein mit einer späteren industriellen Fertigung vereinbar sind.“ AEROSYN soll dazu beitragen, die seit Langem bestehende Kluft zwischen der Erforschung neuer Materialien im Labor und ihrer industriellen Umsetzung zu überbrücken.
Christof Schulz leitet die Arbeitsgruppe „Reaktive Fluide“ am Institut für Energie- und Material-Prozesse (EMPI) der Universität Duisburg-Essen und ist Direktor des Research Center Future Energy Materials and Systems (RC FEMS) der Universitätsallianz Ruhr. Im Jahr 2014 wurde er für seine wegweisenden Beiträge zu den Grundlagen, Technologien und Anwendungen hochauflösender laserdiagnostischer Messverfahren mit dem Gottfried-Wilhelm-Leibniz-Preis ausgezeichnet.
ERC Advanced Grants werden an international führende Wissenschaftler:innen vergeben, die durch herausragende Forschungsleistungen und originelle Beiträge auf ihrem Fachgebiet ausgewiesen sind. Gefördert werden ambitionierte und wissenschaftlich bahnbrechende Forschungsvorhaben. Die Auswahl erfolgt in einem internationalen Begutachtungsverfahren ausschließlich auf Grundlage der wissenschaftlichen Exzellenz des Projekts und der antragstellenden Person.