Combinatorial Materials Science - Balaji Narasimhan, Surya Mallapragada, Marc Porter

• Tác giả: Balaji Narasimhan
• Chuyên ngành: Khoa học Vật liệu Tổ hợp
• Đề tài: Combinatorial Materials Science
• Loại tài liệu: Sách
• Năm xuất bản: 2007
• Địa điểm: Hoboken

Tóm tắt

I. Tổng quan về sách Combinatorial Materials Science ấn bản đầu tiên

Cuốn sách Combinatorial Materials Science do Balaji Narasimhan, Surya K. Mallapragada và Marc D. Porter đồng biên tập là công trình tiên phong trong lĩnh vực khoa học vật liệu tổ hợp. Ấn bản đầu tiên được nhà xuất bản Wiley-Interscience phát hành năm 2007, thuộc hệ thống John Wiley & Sons. Cuốn sách tập hợp các nghiên cứu từ nhiều chuyên gia hàng đầu, trình bày nền tảng lý thuyết và ứng dụng thực tiễn của phương pháp tiếp cận tổ hợp trong khám phá vật liệu mới. Nội dung bao gồm các kỹ thuật sàng lọc tốc độ cao, thiết kế thư viện vật liệu, phân tích song song và mô hình hóa động học vi mô. Cuốn sách nhấn mạnh rằng việc kết hợp các yếu tố định tính và định lượng có thể tạo ra dữ liệu khổng lồ, từ đó đẩy nhanh quá trình phát hiện và tối ưu hóa vật liệu. Đây là tài liệu tham khảo không thể thiếu cho nhà nghiên cứu, kỹ sư và sinh viên cao học trong lĩnh vực khoa học vật liệu, hóa học và kỹ thuật hóa học.

1.1. Thông tin xuất bản và đội ngũ biên tập

Combinatorial Materials Science được xuất bản năm 2007 bởi Wiley-Interscience, một dấu ấn của John Wiley & Sons tại Hoboken, New Jersey. Đội ngũ biên tập gồm ba học giả uy tín: Balaji Narasimhan và Surya K. Mallapragada đến từ Đại học Bang Iowa, còn Marc D. Porter công tác tại Đại học Bang Arizona. Cuốn sách có mã số Library of Congress là dc22 2007010269, được in tại Hoa Kỳ. Đây là sự hợp tác liên ngành, kết hợp chuyên về kỹ thuật hóa học, vật liệu polyme và phân tích bề mặt. Mỗi biên tập viên đóng góp kiến thức chuyên sâu vào từng phần của cuốn sách, đảm bảo tính toàn diện và cân bằng giữa lý thuyết và thực hành.

1.2. Phạm vi nội dung và cấu trúc sách

Cuốn sách bao gồm nhiều chương, từ nền tảng lý thuyết đến các ứng dụng cụ thể trong khoa học vật liệu tổ hợp. Nội dung trải dài từ phương pháp tổng hợp vật liệu mới, kỹ thuật đặc trưng hóa tính chất, đến hệ thống sàng lọc tốc độ cao. Sách trình bày các ví dụ thực tiễn về thiết kế thư viện chất xúc tác, vật liệu polyme và hợp kim đa thành phần. Mỗi chương được viết bởi các chuyên gia trong lĩnh vực tương ứng, đảm bảo chiều sâu học thuật. Cấu trúc sách logic, từ khái niệm cơ bản đến phương pháp nâng cao, phù hợp cho cả người mới bắt đầu và nhà nghiên cứu có kinh nghiệm trong lĩnh vực vật liệu tổ hợp.

II. Thách thức trong nghiên cứu khoa học vật liệu truyền thống

Nghiên cứu khoa học vật liệu truyền thống đối mặt nhiều thách thức đáng kể. Phương pháp thử-và-sai tiêu tốn thời gian và nguồn lực lớn. Một nhà nghiên cứu thường chỉ có thể phân tích một mẫu mỗi ngày, tạo ra nút thắt cổ chai trong quy trình khám phá vật liệu. Khối lượng tổ hợp khả thi của các nguyên tố và hợp chất là khổng lồ. Ví dụ, khi xem xét pha đồ của sáu nguyên tố trở lên, số lượng biến thể có thể lên đến hàng tỷ. Phương pháp tuần tự truyền thống không thể bao quát hết không gian thử nghiệm này. Ngoài ra, rào cản khái niệm về mẫu nào cần đo lường hôm nay hạn chế tư duy sáng tạo của nhà khoa học. Khi kinh tế đo lường được giải phóng, các nhà nghiên cứu tự nhiên mở rộng ý tưởng về những gì khả thi. Họ có thể xem xét các trường hợp vật liệu rủi ro hơn nhưng mang tính đổi mới cao hơn.

2.1. Hạn chế về tốc độ và năng suất phân tích

Trong nghiên cứu vật liệu truyền thống, tốc độ phân tích là yếu tố hạn chế nghiêm trọng nhất. Quy trình chuẩn bị mẫu thủ công đòi hỏi nhiều thời gian và kỹ năng chuyên môn. Việc đặc trưng hóa tính chất cơ học, nhiệt và điện của từng mẫu phải thực hiện tuần tự. Một ngày làm việc tiêu chuẩn chỉ cho phép đo lường từ một đến hai mẫu. Điều này tạo ra sự mất cân đối lớn giữa tiềm năng sản xuất mẫu và tốc độ phân tích. Ngay cả khi chuẩn bị mẫu nhanh chóng, việc thiếu hệ thống tự động hóa khiến năng suất tổng thể vẫn thấp. Các phương pháp truyền thống cũng gặp khó khăn với vật liệu khó đo như màng polyme mỏng hoặc mẫu có hình học phức tạp.

2.2. Không gian tổ hợp quá lớn để khám phá tuần tự

Khi số lượng yếu tố định tính và các mức độ của chúng tăng lên, số tổ hợp khả thi trở nên thiên văn học. Khái niệm mẫu đơn do Hulliger đề xuất minh họa vấn đề này rõ ràng. Trong một mẫu thể tích 1cm³, có khoảng 10⁹ đến 10¹² hạt nhỏ của vật liệu ban đầu. Điều này có nghĩa là về mặt thống kê, tất cả các pha đồ có thể có của đến sáu nguyên tố đều được tạo ra, ngay cả khi có tới 40 nguyên tố khác nhau. Phương pháp truyền thống không thể xử lý khối lượng dữ liệu này. Việc thăm dò tuần tự từng tổ hợp sẽ mất hàng thập kỷ, vượt xa thời gian nghiên cứu thực tế. Cần có cách tiếp cận mới để khai thác hiệu quả không gian tổ hợp khổng lồ này.

III. Phương pháp tiếp cận tổ hợp và kỹ thuật sàng lọc tốc độ cao

Khoa học vật liệu tổ hợp áp dụng các phương pháp tiếp cận sáng tạo để giải quyết thách thức truyền thống. Kỹ thuật sàng lọc tốc độ cao cho phép phân tích nhiều mẫu đồng thời, tăng năng suất đáng kể. Ngay cả giai đoạn tăng tốc khiêm tốn, từ một mẫu mỗi ngày lên ba mẫu mỗi ngày, cũng tạo ra sự khác biệt lớn cho nhà nghiên cứu cá nhân. Khi hai mẫu đang được đo lường, người nghiên cứu có thể tư duy sáng tạo về các bước tiếp theo. Việc phát triển khả năng sàng lọc tốc độ cao cũng thúc đẩy đổi mới trong khoa học đo lường. Quá trình xây dựng dụng cụ đáp ứng yêu cầu vận hành tốc độ cao, tức nhanh, tự động và linh hoạt, dẫn đến cải tiến cơ bản cho các phương pháp hiện có. Kỹ thuật đo lường uốn cong được phát triển để đo nhanh mô đun cơ học của thư viện màng polyme là một ví dụ điển hình.

3.1. Lò phản ứng song song và phân tích FTIR đồng thời

Một phương pháp đột phá là kết hợp lò phản ứng song song với phân tích hồng ngoại biến đổi Fourier tốc độ cao. Hệ thống hiện tại sử dụng 16 lò phản ứng song song, có khả năng mở rộng. Phân tích FTIR song song thực sự với độ phân giải thời gian cao tạo ra khối dữ liệu ba chiều khổng lồ, tính bằng gigabyte. Khối dữ liệu này được xử lý nhanh chóng để tạo ra hình ảnh hành vi chất xúc tác quá cảnh có độ phân giải cao cho nhiều chất xúc tác cùng lúc. Phương pháp này kết hợp với thuật toán trích xuất kiến thức để xác định các bước nguyên tố có xác suất cao nhất và hằng số tốc độ cho các quá trình tương đối phức tạp. Đây là minh chứng rõ ràng cho sức mạnh của tiếp cận tổ hợp.

3.2. Mô hình hóa động học vi mô và thiết kế chất xúc tác hợp lý

Kết hợp với dữ liệu định lượng từ sàng lọc tốc độ cao, mô hình hóa động học vi mô đưa hiểu biết về phản ứng xúc tác dị thể lên tầm cao mới. Phương pháp này cho phép tăng tốc khám phá các công thức chất xúc tác mới và cuối cùng dẫn đến thiết kế chất xúc tác hợp lý. Dữ liệu từ lò phản ứng song song và phân tích FTIR được tích hợp vào mô hình toán học phức tạp. Mô hình này mô tả chi tiết cơ chế phản ứng, bao gồm các bước nguyên tố và hằng số tốc độ. Nhà nghiên cứu có thể dự đoán hành vi của chất xúc tác mới trước khi tổng hợp thực tế. Tiếp cận này giảm đáng kể thời gian và chi phí phát triển chất xúc tác hiệu quả cho các ứng dụng công nghiệp.

IV. Ứng dụng thực tiễn và triển vọng tương lai của vật liệu tổ hợp

Khoa học vật liệu tổ hợp đã chứng minh giá trị trong nhiều lĩnh vực ứng dụng thực tiễn. Trong ngành xúc tác hóa học, phương pháp tổ hợp giúp khám phá các công thức xúc tác mới với hiệu suất vượt trội. Lĩnh vực vật liệu polyme hưởng lợi từ kỹ thuật đo lường uốn cong tốc độ cao, cho phép đặc trưng hóa thư viện màng polyme một cách nhanh chóng và chính xác. Phương pháp này áp dụng được cho nhiều loại polyme khác nhau, kể cả vật liệu khó đo bằng phương pháp truyền thống. Trong nghiên cứu hợp kim đa thành phần, khái niệm mẫu đơn mở ra khả năng thăm dò pha đồ phức tạp với nhiều nguyên tố. Triển vọng tương lai bao gồm tích hợp trí tuệ nhân tạo và học máy vào quy trình sàng lọc tổ hợp. Sự kết hợp giữa dữ liệu lớn và thuật toán thông minh sẽ đẩy nhanh hơn nữa quá trình khám phá vật liệu tiên tiến cho năng lượng, y tế và điện tử.

4.1. Ứng dụng trong phát triển vật liệu y sinh và năng lượng

Vật liệu tổ hợp có tiềm năng lớn trong lĩnh vực y sinh và năng lượng. Trong y sinh, phương pháp tổ hợp giúp sàng lọc nhanh các vật liệu tương thích sinh học cho cấy ghép và hệ thống phân phối thuốc. Thư viện polyme với dải tính chất rộng được đánh giá đồng thời, rút ngắn thời gian phát triển sản phẩm. Trong lĩnh vực năng lượng, vật liệu tổ hợp được ứng dụng để khám phá chất xúc tác mới cho pin nhiên liệu và bộ chuyển đổi năng lượng mặt trời. Khả năng kiểm tra nhiều biến thể cùng lúc cho phép tối ưu hóa hiệu suất năng lượng một cách hệ thống. Các nghiên cứu cũng tập trung vào vật liệu nhiệt điện và siêu tụ điện thế hệ mới, nơi mà không gian tổ hợp cực kỳ rộng lớn đòi hỏi phương pháp tiếp cận hiệu quả.

4.2. Tích hợp công nghệ mới và hướng phát triển tương lai

Tương lai của khoa học vật liệu tổ hợp gắn liền với sự tiến bộ của công nghệ tự động hóa và trí tuệ nhân tạo. Hệ thống robot tự động hóa quy trình tổng hợp và phân tích mẫu, giảm sai sót con người và tăng độ lặp lại. Học máy hỗ trợ dự đoán tính chất vật liệu từ dữ liệu tổ hợp, hướng dẫn quá trình tối ưu hóa. Tích hợp cơ sở dữ liệu lớn với mô hình tính toán cho phép thiết kế vật liệu theo hướng dữ liệu. Công nghệ in 3D cũng mở ra khả năng tạo mẫu vật liệu tổ hợp có cấu trúc phức tạp. Các chương trình nghiên cứu liên ngành kết hợp vật lý, hóa học, khoa học máy tính và kỹ thuật sẽ đẩy nhanh tiến bộ trong thập kỷ tới. Cuốn sách của Narasimhan, Mallapragada và Porter đặt nền tảng vững chắc cho sự phát triển này.

Trích đoạn nội dung tài liệu

org COMBINATORIAL MATERIALS SCIENCE Edited by Balaji Narasimhan Iowa State University Surya K. Mallapragada Iowa State University Marc D. Porter Arizona State University WILEY-INTERSCIENCE A John Wiley & Sons, Inc.org COMBINATORIAL MATERIALS SCIENCE www.org COMBINATORIAL MATERIALS SCIENCE Edited by Balaji Narasimhan Iowa State University Surya K. Mallapragada Iowa State University Marc D. Porter Arizona State University WILEY-INTERSCIENCE A John Wiley & Sons, Inc., Publication Copyright © 2007 by John Wiley & Sons, Inc. All rights reserved. Published by John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey. Published simultaneously in Canada. No part of publication may be reproduced, stored in a retrieval system, or transmitted in any form or by any means, electronic, mechanical, photocopying, recording, scanning, or otherwise, except as permitted under Section 107 or 108 of the 1976 United States Copyright Act, without either the prior written permission of the Publisher, or authorization through payment of the appropriate per-copy fee to the Copyright Clearance Center, Inc., 222 Rosewood Drive, Danvers, MA 01923, [phone], fax [phone], or on the web at www. Requests to the Publisher for permission should be addressed to the Permissions Department, John Wiley & Sons, Inc., 111 River Street, Hoboken, NJ 07030, [phone], fax [phone], or online at http://www.com/go/permission. Limit of Liability/Disclaimer of Warranty: While the publisher and author have used their best efforts in preparing this book, they make no representations or warranties with respect to the accuracy or completeness of the contents of this book and specifically disclaim any implied warranties of merchantability or fitness for a particular purpose. No warranty may be created or extended by sales representatives or written sales materials. The advice and strategies contained herein may not be suitable for your situation. You should consult with a professional where appropriate. Neither the publisher nor author shall be liable for any loss of profit or any other commercial damages, including but not limited to special, incidental, consequential, or other damages. For general information on our other products and services or for technical support, please contact our Customer Care Department within the United States at [phone], outside the United States at [phone] or fax [phone]. Wiley also publishes its books in a variety of electronic formats. Some content that appears in print may not be available in electronic formats. For more information about Wiley products, visit our web site at www. Wiley Bicentennial Logo: Richard J. Pacifico Library of Congress Cataloging-in-Publication Data: Narasimhan, Balaji, 1975– Combinatorial materials science / Balaji Narasimhan, Surya Mallapragada, Marc D.1′1—dc22 2007010269 Printed in the United States of America. 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 CONTENTS Preface vii Acknowledgments ix Contributors xi 1. Combinatorial Materials Science: Measures of Success 1 Michael J. Fasolka and Eric J. Experimental Design in High-Throughput Systems 21 James N. Polymeric Discrete Libraries for High-Throughput Materials Science: Conventional and Microfluidic Library Fabrication and Synthesis 51 Kathryn L. Beers and Brandon M. Strategies in the Use of Atomic Force Microscopy as a Multiplexed Readout Tool of Chip-Scale Protein Motifs 81 Jeremy R. Neill, and Julia F. Informatics Methods for Combinatorial Materials Science 109 Changwon Suh, Krishna Rajan, Brandon M. Vogel, Balaji Narasimhan, and Surya K. Combinatorial Approaches and Molecular Evolution of Homogeneous Catalysts 121 L. Biomaterials Informatics 163 Nicole K. Harris, Joachim Kohn, William J. Welsh, and Doyle D. Combinatorial Methods and Their Application to Mapping Wetting–Dewetting Transition Lines on Gradient Surface Energy Substrates 201 Karen M. Raghavan, Amit Seghal, Jack F. Douglas, and Alamgir Karim 9. Combinatorial Materials Science: Challenges and Outlook 225 Balaji Narasimhan, Surya K. Mallapragada, and Marc D. Porter Index 231 v www.org PREFACE Breakthroughs in materials science will be key underpinnings to the energy, healthcare, transportation, and homeland security needs in the 21st century. These needs will place even more stringent demands on the performance of materials than ever before. To accomplish these daunting and complex tasks requires disruptive approaches that shatter existent barriers, and combinato- rial science applied to materials design, discovery, and analysis will play an important role in this process. Research groups all over the world have started making significant progress in this regard, reflecting the merits of applying combinatorial science principles to fundamental and technological issues in the design of advanced materials. This compilation is but a sampling of these efforts, providing readers with perspectives on the overall principles of the methodology. The first chapter begins with a critical analysis of successful combinatorial science experiments as applied to materials science. Its perspective is very important as new methods are being developed to design materials and under- stand their properties. The next chapter focuses on experimental design, which is the first step in planning and implementation of high throughput experi- ments. Chapter three summarizes high throughput synthesis of discrete polymer libraries. As polymers become more broadly applicable in areas such as biomaterials, biosensors, and smart and responsive materials, designing polymer libraries is key and this chapter links well known synthetic strategies to newer methods of polymer synthesis. The next chapter is focused on the development of high throughput screening probes based on multiplexed atomic force microscopy. This tool is becoming ubiquitous in the analysis of binding events and interaction forces and this chapter summarizes work that uses atomic force microscopy to design chip-scale platforms for the study of protein-protein and protein-DNA interactions. The useful interpretation of data generated from combinatorial experiments requires the development of proper integration strategies of informatics techniques with high through- put screening data, and is the focus of Chapter five. The next chapter deals with applying combinatorial techniques together with directed molecular evo- lution to discover next generation catalysts. Chapter seven is focused on bio- materials design by integrating principles from parallel synthesis, rapid screening, and computational modeling. Chapter eight summarizes recent advances in the development of high throughput methods for the characteriza- tion of polymer thin films, which are widely used in many technological vii viii PREFACE applications. Chapter 9 brings the book to a close by summarizing the impor- tant outcomes of some of the advances described in the previous chapters and presents some challenges for combinatorial materials science in the next several decades. We are pleased have the opportunity to be part of the collection of works by established leaders and emerging researchers from academia, industry, and government laboratories. Several of the authors are from cross-disciplinary centers and institutes such as the National Combinatorial Methods Center at NIST and the Institute for Combinatorial Discovery at Iowa State University. These are but two examples of the incisive teaming efforts that will increas- ingly dominate the landscape of this emergent research field. We look forward to the next several decades where as some of the challenges are met, research in this area will begin to address the next grand challenge in materials science —rapid, atom-by-atom (or molecular) design of materials for next generation applications. Ames, IA Balaji Narasimhan and Surya K. Mallapragada Tempe, AZ Marc D.org ACKNOWLEDGMENTS We would like to place on record our sincere thanks to Jonathan Rose of John Wiley for working diligently with us on this concept and ensuring a finished product that we are all proud of. We would also like to thank Ms. Linda Edson of the Department of Chemical and Biological Engineering at Iowa State University for her secretarial support. ix CONTRIBUTORS Eric J. Amis, Polymers Division, National Institute of Standards and Technol- ogy (NIST), Combinatorial Methods Center (NCMC), Gaithersburg, MD 20899 Karen M. Ashley, Polymer Group, Department of Chemistry, Howard Uni- versity, Washington, DC 20059 Kathryn L. Beers, Polymers Division, National Institute of Standards and Technology (NIST), Gaithersburg, MD 20899 James N. Cawse, Proto Life S., Via della Liberta 12, 30175 Marghera, Venezia, Italy Jack F. Douglas, Polymers Division, National Institute of Standards and Tech- nology (NIST), Gaithersburg, MD 20899 Jeremy D. Driskell, Institute for Combinatorial Discovery, Ames Laboratory— USDOE, Department of Chemistry, Iowa State University, Ames, IA 50011 Michael J. Fasolka, Polymers Division, National Institute of Standards and Technology (NIST), Combinatorial Methods Center (NCMC), Gaithersburg, MD 20899 Nicole K. Harris, Department of Chemistry and Chemical Biology, Rutgers University, Piscataway, NJ 08854 Alamgir Karim, Polymers Division, National Institute of Standards and Tech- nology (NIST), Gaithersburg, MD 20899 Jeremy R. Kenseth, Institute for Combinatorial Discovery, Ames Labora- tory—USDOE, Department of Chemistry, Iowa State University, Ames, IA 50011 (Present address: CombiSep Inc., Ames, IA 50010) Doyle D. Knight, Department of Mechanical and Aerospace Engineering, Rutgers University, Piscataway, NJ 08854 Joachim Kohn, Department of Chemistry and Chemical Biology, Rutgers University, Piscataway, NJ 08854 Karen M. Kwarta, Institute for Combinatorial Discovery, Ames Laboratory— USDOE, Department of Chemistry, Iowa State University, Ames, IA 50011 xi www.org xii CONTRIBUTORS Surya K. Mallapragada, Institute for Combinatorial Discovery, Department of Chemical and Biological Engineering, Iowa State University, Ames, IA 50011 Balaji Narasimhan, Institute for Combinatorial Discovery, Department of Chemical and Biological Engineering, Iowa State University, Ames, IA 50011 John D. Neill, Virus and Prion Diseases of Livestock Unit, National Animal Disease Center, United States Department of Agriculture (USDA), Ames, IA 50010 Marc D. Porter, Department of Chemistry and Biochemistry, Center for Combinatorial Science at The Biodesign Institute, Arizona State Univer- sity, Tempe, AZ 85287 D. Raghavan, Polymer Group, Department of Chemistry, Howard Univer- sity, Washington, DC 20059 Krishna Rajan, Department of Materials Science and Engineering, Combina- torial Materials Science and Materials Informatics Laboratory, Iowa State University, Ames, IA 50011 Julia F. Ridpath, Virus and Prion Diseases of Livestock Unit, National Animal Disease Center, United States Department of Agriculture (USDA), Ames, IA 50010 Amit Seghal, Polymers Division, National Institute of Standards and Tech- nology (NIST), Gaithersburg, MD 20899 (Present address: Rhodia, Inc. Cranbury Research and Technology Center, Cranbury, NJ 08512) Changwon Suh, Department of Materials Science and Engineering, Combi- natorial Materials Science and Materials Informatics Laboratory, Iowa State University, Ames, IA 50011 Brandon M. Vogel, Polymers Division, National Institute of Standards and Technology (NIST), Gaithersburg, MD 20899 William J. Welsh, The Informatics Institute, University of Medicine and Den- tistry of New Jersey, Newark, NJ 07101-1709 L. Keith Woo, Institute for Combinatorial Discovery, Department of Chem- istry, Iowa State University, Ames, IA 50011 CHAPTER 1 Combinatorial Materials Science: Measures of Success1 MICHAEL J. FASOLKA and ERIC J. AMIS Polymers Division National Institute of Standards and Technology (NIST) Combinatorial Methods Center (NCMC) Gaithersburg, Maryland 1. INTRODUCTION: THE MOTIVATION FOR COMBINATORIAL MATERIALS SCIENCE Throughout its history, materials science has been accomplished with the explicit or implicit backdrop that materials can be improved for human use. To a considerable extent, this milieu has governed the systems considered by the discipline, and the kinds of knowledge that materials scientists generate. This technological undercurrent accounts for a thread common to materials science since its earliest days, which the is study of complex systems. For example, our understanding of multicomponent phase thermodynamics would arguably not be as advanced, nor as deep, as it is today without the desire to produce improved metallurgical alloys. Certainly, this technological interplay with complexity could be restated for any number of historical cases and accomplishments across the materials science spectrum—from doped semi- conductors to polymer blends. This trend continues for today’s materials scientists, as we strive to under- stand, and to use, increasingly complex materials systems. In this respect, the discovery, development, and optimization of today’s new materials are met by three interrelated challenges (Fig.1): 1 Official contribution of the National Institute of Standards and Technology; not subject to copyright in the United States. Combinatorial Materials Science, Edited by Balaji Narasimhan, Surya K. Mallapragada, and Marc D. Porter Copyright © 2007 John Wiley & Sons, Inc. 1 2 COMBINATORIAL MATERIALS SCIENCE: MEASURES OF SUCCESS Tailored Exact composition, structure, and properties to meet a specific application Huge, complex variable spaces Immense numbers of experiments Formulated Intricate structure and Many components, behavior complex processing Governed by a plethora of competing factors Figure 1. Challenges to materials development. Advanced materials are often highly tailored, meaning that composition, structure, and properties are optimized to meet a specific application.