Prof. Dr. Christopher Kuenneth, Universität Bayreuth. Der Bildschirm zeigt die atomistische Struktur eines Polymers mit Kohlenstoff-Atomen (graue Kugeln) und Wasserstoff-Atomen (weiße Kugeln). Im Hintergrund eine Albert Einstein-Statue von Ottmar Hörl (Quelle: UBT / Chr. Wißler).

Vorhersage von Polymereigenschaften

Publiziert

Hochleistungsfähiges digitales System für das Design massgeschneiderter Polymere entwickelt.

Polymere sind aus dem Alltag nicht mehr wegzudenken. Sie stellen aber nur einen kleinen Ausschnitt aus der riesigen Zahl der Polymere dar, die es theoretisch geben könnte. Prof. Dr. Christopher Kuenneth an der Universität Bayreuth hat jetzt mit Forschungspartnern in Atlanta/USA ein digitales System entwickelt, das einen ausserordentlich hohen wirtschaftlichen, technologischen und ökologischen Nutzen verspricht: Aus rund 100 Millionen theoretisch möglicher Polymere kann es mit einer bisher unerreichten Geschwindigkeit genau diejenigen Materialien herausfiltern, die für anvisierte Anwendungen am besten geeignet sind. In „Nature Communications“ wird das neue System vorgestellt.
Prof. Dr. Christopher Kuenneth, Professor für Computational Materials Science an der Fakultät für Ingenieurwissenschaften der Universität Bayreuth, und Prof. Dr. Rampi Ramprasad am Georgia Institute of Technology in Atlanta haben ihr neues System „polyBERT“ genannt. Der Name soll an die interdisziplinäre Vernetzung der Kompetenzen erinnern, aus denen dieses digitale System hervorgegangen ist: Erkenntnisse, Konzepte und Techniken aus der Polymerchemie, der Linguistik und der natürlichen Sprachverarbeitung sowie der lernenden Künstlichen Intelligenz bilden die Grundlage für polyBERT.
polyBERT ist ein System, das die chemische Struktur von Polymeren wie eine chemische Sprache behandelt: Jedes Wort, das in dieser Sprache gebildet werden kann, ist eine eindeutige Bezeichnung für ein theoretisch mögliches Polymer. Molekulare Bausteine und Struktur des jeweiligen Polymers spiegeln sich in dieser Bezeichnung wider. Aufbauend auf neuen Erkenntnissen aus der Sprachwissenschaft und der Informatik, ist polyBERT von den Forschern in Bayreuth und Atlanta trainiert und zu einem lernenden System entwickelt worden.

Von der Polymersprache zu digitalen „Fingerabdrücken“
In einem ersten Schritt hat polyBERT die Bezeichnungen von rund 100 Millionen theoretisch möglicher Polymere gelernt. Es handelt sich hierbei um Kombinationen molekularer Einheiten, die in rund 13.000 Polymeren enthalten sind. Das Training hat dazu geführt, dass polyBERT die Polymersprache versteht und somit die Bausteine und Strukturen von rund 100 Millionen Polymeren richtig identifizieren kann. Dieses lernende digitale System kann die Polymersprache sogar selbständig anwenden. Das bedeutet: polyBERT ist imstande, weitere Bezeichnungen bisher unbekannter, aber theoretisch möglicher Polymere zu erzeugen.
Mit der hohen chemischen Sprachkompetenz ist eine weitere Fähigkeit verknüpft: polyBERT übersetzt die Bezeichnungen der ihm bekannten Polymere automatisch in numerische Darstellungen, in sogenannte „Fingerabdrücke“. Jeder Fingerabdruck ist ein aus Zahlen bestehendes Codewort, an dem sich die Bausteine und die Struktur des jeweiligen Polymers eindeutig ablesen lassen. Diese automatische Erzeugung digitaler Fingerabdrücke ist weitaus weniger fehleranfällig, als wenn Menschen die Aufgabe übernehmen würden, jeder chemischen Struktur eines bekannten Polymers ein derartiges Codewort zuzuordnen.

Rasche und präzise Vorhersage von Polymereigenschaften
polyBERT erhält seine enorme praktische Relevanz nun dadurch, dass es von den Forschern in Bayreuth und Atlanta über eine Vielzahl charakteristischer, für technologische Anwendungen besonders relevanter Polymereigenschaften belehrt wurde. Das System ist daher in der Lage, Fingerabdrücke und Eigenschaften von Polymeren eindeutig zueinander in Beziehung zu setzen. Neuartige informatorische Komponenten aus dem Gebiet der Künstlichen Intelligenz bewirken, dass polyBERT mit hoher Präzision und einer bisher unerreichten Geschwindigkeit aus den 100 Millionen theoretisch möglicher Polymere genau diejenigen Polymere herausfiltern kann, die für bestimmte Anwendungsziele benötigt werden. „polyBERT ist ein ausserordentlich hochleistungsfähiges System zur raschen und präzisen Vorhersage von Polymereigenschaften. Unsere Forschungsarbeiten haben deshalb das Potenzial, das theoretische Design, die Synthese und die technologische Anwendung von Polymeren erheblich zu beschleunigen“, sagt Kuenneth.

Vorgängerstudie zur Identifikation bioabbaubarer Kunststoffe
Die Relevanz dieses informatorischen Ansatzes der Polymerforschung zeigt bereits eine Vorgängerstudie, die Kuenneth als Erstautor im Dezember 2022 in der Zeitschrift „Communications Materials“ veröffentlicht hat. Darin stellt er mit Forschungspartnern in Atlanta und den Los Alamos National Laboratories in den USA ein ähnliches, mit künstlichen neuronalen Netzwerken arbeitendes System zur Vorhersage von Polymereigenschaften vor. Dieses System ist in der Lage, der globalen Verschmutzung durch Plastikabfälle entgegenzuwirken. Rund 75 Prozent der industriell hergestellten Kunststoffe basieren auf fossilen Rohstoffen. Das neue System kann die Suche nach Biopolymeren, die diese Kunststoffe ersetzen können, wesentlich beschleunigen: Die Autor*innen der Studie haben unter den rund 1,4 Millionen möglichen chemischen Kandidaten 14 biologisch herstellbare und -abbaubare Polymere identifiziert, welche die derzeit üblichen Industriekunststoffe ersetzen könnten, sobald es dafür schnelle und kostengünstige Syntheseverfahren gibt.

EVENTS

Swissbau

Die führende Plattform der Bau- und Immobilienwirtschaft in der Schweiz.

Datum: 16.-19. Januar 2024

Ort: Basel (CH)

Empack Schweiz

The Future of Packaging Technology

Datum: 24.-25. Januar 2024

Ort: Bern (CH)

LOGISTICS & AUTOMATION

Schweizer Fachmesse für Logistik und Transport

Datum: 24.-25. Januar 2024

Ort: Bern (CH)

aqua pro

B2B-Plattform in der Schweiz für Fachkräfte des Globalen Wasserkreislaufs

Datum: 07.-09. Februar 2024

Ort: Bulle (CH)

Filtech

Internationale Fachmesse für Filter- und Trenntechnologie

Datum: 12.-14. Februar 2024

Ort: Köln (D)

Vivaness

Internationale Fachmesse für Naturkosmetik

Datum: 13.-16. Februar 2024

Ort: Nürnberg (D)

SVI Jahrestagung

SVI Jahrestagung

Datum: 07. März 2024

Ort: Technopark Zürich (CH)

ZHAW-IFM Day

Der IFM-Day der ZHAW findet als Begegnungstag für FM-Ausbildung und FM-Praxis statt.

Datum: 08. März 2024

Ort: Wädenswil (CH)

LogiMat

Internationale Fachmesse für Intralogistik

Datum: 19.-21. März 2024

Ort: Stuttgart (D)

Additive Manufacturing Forum

Die Entscheider- und Expertenkonferenz bringt das gesamte Wertschöpfungssystem rund um die additive Fertigung zusammen.

Datum: 20.-21. März 2024

Ort: Berlin (D)

analytica

Leitmesse für Labortechnik, Analytik, Biotechnologie und analytica conference

Datum: 09.-12. April 2024

Ort: München (D)

Siams

Die Messe der Produktionsmittel der Mikrotechnik

Datum: 16.-19. April 2024

Ort: Halle d'Exposition, Moutier (CH)

Hannover Messe

TRANSFORMING INDUSTRY TOGETHER

Datum: 22.-26. April 2024

Ort: Hannover (D)

IFAT

Weltleitmesse für Wasser-, Abwasser-, Abfall- und Rohstoffwirtschaft

Datum: 13.-17. Mai 2024

Ort: München (D)

drupa

Weltweit führende Fachmesse für Drucktechnologien

Datum: 28. Mai-07.Juni 2024

Ort: Düsseldorf (D)

ArbeitsSicherheitSchweiz

Fachmesse für Arbeitssicherheit, Gesundheitsschutz & Gesundheitsförderung am Arbeitsplatz

Datum: 05.-06. Juni 2024

Ort: Zürich (CH)

Achema

Internationale Leitmesse der Prozessindustrie

Datum: 10.-14. Juni 2024

Ort: Frankfurt am Main (D)

SENSOR + TEST

Internationale Fachmesse für Sensorik, Mess- und Prüftechnik

Datum: 11.-13. Juni 2024

Ort: Nürnberg (D)

all about automation

Fachmesse für Industrieautomation

Datum: 28.-29. August 2024

Ort: Zürich (CH)

maintenance Schweiz

Schweizer Fachmesse für industrielle Instandhaltung und Facility Management

Datum: 28.-29. August 2024

Ort: Zürich (CH)

Rehacare

Die REHACARE ist die internationale Fachmesse für Rehabilitation, Prävention, Inklusion und Pflege.

Datum: 25. - 28. September 2024

Ort: Düsseldorf (D)

FachPack

Europäische Fachmesse für Verpackung, Technik, Veredelung und Logistik

Datum: 24.-26. September 2024

Ort: Nürnberg (D)

Cleanzone

Internationale Fachmesse und Kongress für Reinraumtechnologie

Datum: 25.-26. September 2024

Ort: Frankfurt am Main (D)

Ilmac Lausanne

Networking. Forum. Aussteller

Datum: 25.-26. September 2024

Ort: Lausanne (CH)

Ilmac

Fachmesse für Prozess- und Labortechnologie

Datum: 18.-19. September 2024

Ort: Beaulieu Lausanne (CH)

VISION

Weltleitmesse für Bildverarbeitung

Datum: 08.-10. Oktober 2024

Ort: Stuttgart (D)

IFAS

Fachmesse für den Gesundheitsmarkt

Datum: 22.-24. Oktober 2024

Ort: Zürich (CH)

ALL4PACK EMBALLAGE

The global marketplace for Packaging Processing Printing Handling

Datum: 04.-07. November 2024

Ort: Paris (F)

electronica

Weltleitmesse und Konferenz der Elektronik

Datum: 12.-15. November 2024

Ort: München (D)

VALVE WORLD EXPO

Weltweite Leitmesse für Industrie-Armaturen

Datum: 03.-05. Dezember 2024

Ort: Düsseldorf (D)

LABVOLUTION

Europäische Fachmesse für innovative Laborausstattung und die Optimierung von Labor-Workflows

Datum: 20.-22. Mai 2025

Ort: Messegelände Hannover (D)

Automatica

Die Leitmesse für intelligente Automation und Robotik

Datum: 24.-27. Juni 2025

Ort: München (D)

LASER World of PHOTONICS

Weltleitmesse und Kongressfür Komponenten, Systeme und Anwendungen der Photonik

Datum: 24.-27. Juni 2025

Ort: München (D)

SINDEX

Schweizer Messe für industrielle Automatisierung

Datum: 02.-04. September 2025

Ort: Bern (CH)

CMS Berlin

Internationale Leitmesse für Reinigung und Hygiene

Datum: 23.-26. September 2025

Ort: Berlin (D)

POWTECH

Pharma.Manufacturing.Excellence

Datum: 23. - 25. September 2025

Ort: Nürnberg (D)

A + A

Messe und Kongress für Arbeitsschutz und Arbeitssicherheit.

Datum: 04.-07. November 2025

Ort: Düsseldorf (D)

AQUA Suisse

Die Schweizer Fachmesse für kommunales und industrielles Wassermanagement.

Datum: 26.-27. November 2025

Ort: Zürich (CH)

Pumps & Valves

Die Fachmesse für industrielle Pumpen, Armaturen & Prozesse

Datum: 26. - 27. November 2025

Ort: Zürich (CH)

interpack

Führende Messe für Prozesse und Verpackung

Datum: 07.-13. Mai 2026

Ort: Düsseldorf (D)

Bezugsquellenverzeichnis