KI soll neue Materialien nach Maß entwickeln

Der Europäische Forschungsrat (ERC) fördert das Projekt ODDITY – ein Forschungsvorhaben, das Professor Pascal Friederich vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) gemeinsam mit Partnern am Forschungszentrum Jülich und der Universität Oxford eingeworben hat. Die Forschenden kombinieren Künstliche Intelligenz (KI), Molekülchemie und autonome Labore, um gezielt Molekülstrukturen zu entwickeln. Das soll die Suche nach neuen Materialien für Anwendungen wie die Photovoltaik wesentlich beschleunigen. Der ERC fördert das Projekt über sechs Jahre mit 9,7 Millionen Euro.

Technischer Fortschritt hängt wesentlich davon ab, welche Materialien zur Verfügung stehen. Die Entwicklung von Photovoltaik, Lichtsensoren und elektronischen Bauteilen benötigt Stoffe, die mehrere Anforderungen gleichzeitig erfüllen: Sie müssen unter anderem bestimmte optische und elektrische Eigenschaften besitzen sowie stabil und leicht zu verarbeiten sein. Ein Beispiel sind hauchdünne Schichten in Solarzellen, die Licht absorbieren und elektrische Ladungen transportieren.

Baukastensystem für Moleküle 

Was ein Material leisten kann, bestimmt vor allem sein molekularer Aufbau. Das Projekt ODDITY (On-Demand Discovery by Molecular Ingenuity) verfolgt einen systematischen Ansatz, um aus mehr als einer Billion möglicher Molekülstrukturen gezielt diejenigen zu finden, die bestimmte Anforderungen erfüllen. Der Europäische Forschungsrat fördert dieses Vorhaben nun mit einem Synergy Grant. „Mit dem ERC Synergy Grant wird ein Forschungsansatz ausgezeichnet, der das Potenzial hat, die Entwicklung neuer Materialien grundlegend zu verändern. Das Projekt ODDITY vereint wissenschaftliche Exzellenz in den Bereichen Künstliche Intelligenz, Chemie und Materialforschung und zeigt eindrucksvoll die Stärke internationaler Zusammenarbeit“, sagt Professor Oliver Kraft, Vizepräsident Forschung, Lehre und Akademische Angelegenheiten des KIT.

„Wir verbinden mithilfe von KI eine beschleunigte chemische Synthese mit reversiblen Reaktionen“, sagt Professor Pascal Friederich vom Institut für Nanotechnologie (INT) des KIT. Wie in einem Baukastensystem sollen sich Moleküle innerhalb weniger Sekunden oder Minuten aus chemischen Bausteinen zusammensetzen, anschließend wieder zerlegen und neu kombinieren lassen. Auch ihre Eigenschaften sollen in diesem Tempo untersucht werden. „Wir wollen mit einem hohen experimentellen Durchsatz die Suche nach geeigneten Materialien von Jahren auf Wochen verkürzen“, sagt Friederich.

KI steuert Experimente

Friederich entwickelt dafür mit einer Arbeitsgruppe KI-Modelle, die ausgehend von den gewünschten Materialeigenschaften geeignete Molekülstrukturen finden sollen, die sich auch tatsächlich chemisch herstellen lassen. „Geplant ist, Daten aus Computersimulationen, Labormessungen und Tests an Bauteilen zusammenzuführen. Unser Ziel ist es, mithilfe von maschinellem Lernen zu erfahren, welche Bausteine wir auswählen und wie wir sie zusammensetzen müssen, um ein Molekül mit bestimmten Eigenschaften zu erhalten“, erklärt der Forscher. Generative KI soll zudem neue chemische Bausteine vorschlagen und damit die Auswahl möglicher Materialien erweitern. „Die KI-Modelle helfen uns, vielversprechende Moleküle zu finden, ohne jede mögliche Kombination einzeln untersuchen zu müssen. Sie unterstützen uns auch bei der Entscheidung, welcher Versuch als Nächstes sinnvoll ist. Die Ergebnisse fließen anschließend wieder in die Modelle ein.“

Enge Zusammenarbeit mit Oxford und Jülich

Den ERC Synergy Grant hat Friederich am KIT gemeinsam mit Teams in Oxford und Jülich eingeworben. Jülich hat dabei eng mit der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg am Helmholtz-Institut Erlangen-Nürnberg für Erneuerbare Energien (HI ERN) zusammengearbeitet.

Die Forschenden steuern ihre jeweilige Expertise in der Molekülchemie und der automatisierten Materialuntersuchung bei. Das Team um Professor Iain McCulloch an der Universität Oxford entwickelt die chemischen Verfahren, mit denen sich Moleküle zusammensetzen und verändern lassen – einschließlich reversibler Reaktionen, die es ermöglichen, Bausteine zurückzugewinnen und wiederzuverwenden. Das Team von Professor Christoph Brabec am Forschungszentrum Jülich steuert autonome Laborplattformen bei. Diese dienen dazu, Dünnschichten herzustellen und zu charakterisieren sowie Bauteile in einem Ultra-Hochdurchsatz-Verfahren zu testen. 

ERC Synergy Grant 

Der Europäische Forschungsrat (ERC) fördert mit Synergy Grants vielversprechende Forschungsteams. Die geförderten Projekte sollen nur in Zusammenarbeit der beteiligten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler möglich sein und zu Entdeckungen an den Schnittstellen zwischen etablierten Disziplinen sowie zu wesentlichen Fortschritten an den Grenzen des Wissens führen. Für die Ausschreibung 2026 stellt der ERC insgesamt 500 Millionen Euro bereit. Es gingen insgesamt 957 Anträge ein, von denen 48 gefördert werden.