Çok değişkenli gözenekli malzemeler (MTV), “LEGO bloklarının koleksiyonu” gibidir ve moleküler düzeyde özelleştirilmiş tasarımın istenen yapıları serbestçe yaratmasına izin verir. Bu malzemelerin kullanılması, çevre sorunlarının çözülmesine ve yeni nesil enerji teknolojilerinin ilerletilmesine önemli ölçüde katkıda bulunabilecek enerji depolama ve dönüşüm dahil çok çeşitli uygulamalara olanak tanır.
Kore İleri Bilim ve Teknoloji Enstitüsü (KAIST) araştırmacılar, ilk kez karmaşık MTV’lerin tasarlanması, yeni nesil katalizörlerin, ayırma membranlarının ve enerji depolama malzemelerinin geliştirilmesi için yenilikçi bir yol açmanın zor problemini çözmek için kuantum bilgi işlemlerini tanıttılar.
Dergide “Çok Değişkenli Gözenekli Malzemelerin Kuantum Bilgi İşlem Tabanlı Tasarımı” makalesi yayınlandı ACS Merkezi Bilimi.
Profesör Jihan Kim’in Üniversite Kimya ve Biyomoleküler Mühendislik Bölümü’ndeki araştırma ekibi, milyonlarca MTV’nin tasarım alanını etkili bir şekilde keşfetmek için kuantum bilgisayar kullanan yeni bir çerçeve geliştirdi.
MTV gözenekli malzemeler, iki veya daha fazla organik ligand (bağlayıcılar) ve metal kümeler gibi yapı taşı malzemelerinin kombinasyonu ile oluşturulan yapılardır. Enerji ve çevre alanlarında kullanım için büyük bir potansiyele sahiptirler. Çeşitli bileşim kombinasyonları yeni yapıların tasarımına ve sentezine izin verir. Örnekler arasında gaz adsorpsiyonu, karışık gaz ayırma, sensörler ve katalizörler bulunur.
Bununla birlikte, bileşen sayısı arttıkça, olası kombinasyonların sayısı katlanarak büyür. Her bir yapıyı klasik bir bilgisayarla kontrol etmek için geleneksel yöntemi kullanarak karmaşık MTV yapılarının özelliklerini tasarlamak ve tahmin etmek imkansız olmuştur.
Araştırma ekibi, karmaşık gözenekli yapıyı “bir haritaya çizilen ağ (grafik) olarak temsil etti ve daha sonra her bağlantı noktasını ve blok türünü bir kuantum bilgisayarın işleyebileceği kubitlere dönüştürdü. Daha sonra kuantum bilgisayardan sorunu çözmelerini istediler: “En kararlı yapıyı oluşturmak için hangi oranda hangi bloklar düzenlenmelidir?”
Kuantum bilgisayarlar aynı anda birden fazla olasılığı hesaplayabildiğinden, bir kerede milyonlarca LEGO evini yaymak ve en sağlam olanı hızla seçmek gibidir. Bu, klasik bir bilgisayarın tek tek hesaplaması gereken çok sayıda olasılığı keşfetmelerine olanak tanır.
Araştırma ekibi ayrıca daha önce bildirilen dört farklı MTV yapısı üzerinde deneyler yapmıştır. Simülasyon ve IBM kuantum bilgisayarından elde edilen sonuçlar aynıydı, bu da yöntemin “gerçekten iyi çalıştığını” gösteriyor.
Gelecekte, ekip bu yöntemi sadece basit yapısal tasarımı değil, aynı zamanda sentez fizibilitesini, gaz adsorpsiyon performansı ve elektrokimyasal özellikleri aynı anda dikkate alan bir platforma genişletmek için makine öğrenimi ile birleştirmeyi planlıyor.
Profesör Jihan Kim, “Bu araştırma, kuantum bilgi işlem kullanarak karmaşık çok değişkenli gözenekli malzeme tasarımının darboğazını çözmek için ilk durumdur.
“Bu başarının, karbon yakalama ve ayırma, seçici katalitik reaksiyonlar ve iyon ileten elektrolitler gibi kesin bileşimin anahtar olduğu alanlarda özelleştirilmiş bir malzeme tasarım teknolojisi olarak yaygın olarak uygulanması beklenmektedir ve gelecekte daha da karmaşık sistemlere esnek bir şekilde genişletilebilir.”
Doktora Kimya ve Biyomoleküler Mühendislik Bölümü’nden Sinyoung Kang ve Younghoon Kim bu çalışmada ilk yazar olarak katıldı.
