Matthieu Verstraete benoemd tot hoogleraar Ab Initio Simulations of Quantum Materials

Matthieu Verstraete is per 1 november 2023 benoemd tot hoogleraar Ab initio Simulations of Quantum Materials aan de faculteit Bètawetenschappen van de Universiteit Utrecht. De nieuwe hoogleraar voorspelt aan de hand van computersimulaties hoe materialen zich op kwantumniveau gedragen onder bepaalde omstandigheden, zoals hoge temperaturen of druk. “Wanneer je het mechanisme achter een materiaal begrijpt, kun je nieuwe dingen ontdekken waarvan je niet wist dat ze mogelijk waren.”

Matthieu Verstraete speurt naar duurzamere, veiligere en goedkopere alternatieven voor bestaande materialen. “Veel materialen die worden gebruikt voor technologische snufjes zoals batterijen en telefoons, hebben problemen met stroomgeleiding. Hierdoor gaat energie verloren in de vorm van warmte,” legt hij uit. “Daarnaast zijn sommige materialen giftig, zoals lood, of worden ze gewonnen in mijnen onder omstandigheden die zowel ecologisch als humanitair problematisch zijn.”

Kwantummaterialen

Goede kandidaten voor materialen die toekomstbestendiger zijn, zijn kwantummaterialen. Dit zijn stoffen die zich anders gedragen dan ‘gewone’ materialen als hout, plastic of steen, door de eigenschappen van de allerkleinste deeltjes waaruit deze stoffen bestaan. Door de eigenschappen van deze deeltjes, kunnen kwantummaterialen bijvoorbeeld stroom geleiden zonder dat er energie verloren gaat, of zijn ze supersterk of -magnetisch. Dit soort materialen zijn van belang in de energietransitie en de ontwikkeling van nieuwe technologieën.

Simulaties in plaats van experimenten

Veel kwantummaterialen bestaan alleen nog niet, en het productieproces ervan is duur en tijdrovend. Daarnaast moet een nieuw materiaal worden getest in een lab, om te kijken of het überhaupt bruikbaar is voor het beoogde doel. Verstraete weet dit kostbare en tijdrovende proces te omzeilen: hij gebruikt simulaties om te voorspellen welke eigenschappen nieuwe kwantummaterialen hebben.

Met simulaties kunnen we duizenden potentiële, nog niet bestaande materialen onderzoeken en de vijf beste extrapoleren, zonder miljoenen euro’s te besteden aan experimenten.

Verstraetes materiaalonderzoek vindt dus niet plaats in het lab en er komt geen experiment aan te pas: hij en zijn team gebruiken uitsluitend computers. Simuleren maakt het onderzoek efficiënter, vertelt de hoogleraar. “Op deze manier kunnen we honderden of zelfs duizenden potentiële, nog niet bestaande materialen onderzoeken en de vijf beste extrapoleren, zonder dat we miljoenen euro’s aan experimenten hoeven te besteden.”

AI als helpende hand

Eén van de dingen die Verstraete wil doen na zijn aanstelling als hoogleraar bij de Universiteit Utrecht, is kijken naar de manier waarop materialen warmte geleiden. Sommige materialen isoleren goed (die zijn handig in je huis: dan blijft het warm) andere geleiden warmte juist heel goed (die zijn weer handig in een computer: dan wordt deze niet te heet).

Je kunt voor elk materiaal berekenen hoe goed ze warmte geleiden, maar dit duurt erg lang.  Verstraete en zijn team gebruiken machine learning om een computerprogramma te trainen op basis van een kleine hoeveelheid kwantumberekeningen. “Dit programma kan vervolgens voorspellen hoe atomen bewegen in een gegeven materiaal. Zo wordt het proces zo’n duizend keer versneld”, legt Verstraete uit. "AI is in de mode, maar het is ook echt efficiënt wanneer je het slim integreert in je methoden."

Exponentiële groei

Verstraete hoopt op een exponentiële groei in de hoeveelheid materialen die energie kunnen opslaan en CO2 kunnen absorberen. Talloze bestaande materialen zijn misschien tot veel meer in staan dan we denken, vermoedt hij. Deze kwamen niet eerder aan het licht omdat de materialen nooit onder de juiste omstandigheden zijn getest, en simulatiemethoden zouden hun verborgen eigenschappen zomaar kunnen blootleggen. Verstraete: “Ik blijf op zoek gaan naar materialen die nog nooit zijn onderzocht, maar ook naar nieuwe manieren om materialen te onderzoeken.”