A Community-Developed Domain Ontology for Magnetic Materials

Magnetische materialen zijn de stille werkpaarden van de moderne wereld. Zij zijn de reden waarom elektrische motoren draaien, waarom gegevens op een harde schijf kunnen worden opgeslagen, en hoe sensoren in een auto de snelheid van een wiel weten te meten. Toch zijn deze materialen, ondanks hun alomtegenwoordigheid, berucht moeilijk met precisie te beschrijven. Een enkele eigenschap, zoals de sterkte van een magnetisch veld, kan op verschillende manieren worden gemeten en gerapporteerd, afhankelijk van of een wetenschapper werkt in een laboratorium in Europa, een fabriek in Azië, of een onderzoekscentrum in de Amerika's. De ene groep gebruikt misschien een systeem gebaseerd op de metriek standaard, terwijl een andere groep een ouder systeem gebruikt dat eeuwen teruggaat. Wanneer deze groepen proberen hun gegevens te delen of hun computermodellen te combineren, zorgt de mismatch in eenheden en definities voor verwarring. Het is alsof men probeert een enkele brug te bouwen wanneer het ene team in meters meet en het andere in voet, zonder een overeengekomen manier om de getallen om te rekenen. Zonder een gemeenschappelijke taal blijft het complexe gedrag van deze materialen over verschillende schalen — van het atomaire niveau tot de omvang van een motor — gefragmenteerd, wat innovatie in schone energie en geavanceerde technologie vertraagt.

Om dit probleem op te lossen, heeft een grote groep onderzoekers uit heel Europa een nieuwe, gedeelde woordenlijst voor het vakgebied van de magnetisme gecreëerd. Dit project, bekend als de Magnetic Materials Ontology, of MagMO, is geen fysiek object maar een gestructureerd digitaal kader dat is ontworpen om te organiseren hoe wetenschappers over magnetische materialen praten. Het team, werkend onder het door de Europese Unie gefinancierde MaMMoS-project, realiseerde zich dat de bestaande hulpmiddelen voor het beschrijven van materialen te rigide waren en vaak vastzaten in formaten die moeilijk leesbaar of aanpasbaar waren voor mensen. In plaats van wetenschappers te dwingen een nieuwe, obscure computertaal te leren, bouwden ze een systeem dat geschreven is in code die lijkt op duidelijk, leesbaar Engels. Dit stelt onderzoekers in staat om precies te definiëren wat ze bedoelen met termen als "coerciviteit" of "remanentie" en om die definities direct te koppelen aan de juiste standaardeenheden van meting. Het resultaat is een systeem dat fungeert als een universele vertaler, waardoor een waarde die in het ene laboratorium is gemeten, correct begrepen en gebruikt kan worden in een ander, ongeacht de software of de apparatuur die wordt gebruikt.

De kern van dit nieuwe systeem is een zorgvuldige categorisering van magnetische eigenschappen in drie afzonderlijke groepen. Ten eerste zijn er de intrinsieke eigenschappen, die de fundamentele kenmerken van het materiaal zelf zijn, zoals de manier waarop de atomen zich uitlijnen om magnetisme te creëren. Ten tweede zijn er de macroscopische of hysteresis-eigenschappen, die beschrijven hoe het materiaal zich gedraagt in een echt apparaat, zoals hoeveel energie het kan opslaan of hoe gemakkelijk het zijn magnetisme verliest. Ten derde houdt het systeem rekening met de microstructuur, wat de fysieke rangschikking van de minuscule korrels en kristallen van het materiaal is. Door deze concepten te scheiden, verheldert de ontologie hoe de atomaire structuur de prestaties van een grote magneet beïnvloedt. Zo bepaalt de grootte en vorm van de kleine kristallen binnen een materiaal hoe sterk de uiteindelijke magneet zal zijn. Het nieuwe kader verbindt deze verschillende schalen, waardoor een computer kan begrijpen dat een verandering in de atomaire structuur zal doorwerken naar de prestaties van een motor of een sensor.

Een belangrijke prestatie van dit werk is de manier waarop het de langlopende verwarring over eenheden aanpakt. In het verleden rapporteerden wetenschappers de magnetische veldsterkte vaak in een eenheid genaamd de Tesla, wat eigenlijk een maat voor magnetische fluxdichtheid is, en niet voor veldsterkte. Deze verwarring heeft decennialang geleid tot fouten in berekeningen en gegevensinterpretatie. De nieuwe ontologie handhaaft strikt de correcte Internationale Eenhedenstelsel (SI), waardoor de veldsterkte altijd in ampère per meter wordt gerapporteerd en de magnetische fluxdichtheid in Tesla. Omdat het systeem is gebouwd op een fundament genaamd EMMO, dat al de regels bevat voor het converteren tussen verschillende meetsystemen, kan de software gegevens van oudere, niet-standaard eenheden automatisch vertalen naar het juiste moderne formaat. Dit elimineert het risico op menselijke fouten bij het omrekenen van getallen en zorgt ervoor dat gegevens uit verschillende bronnen direct vergeleken kunnen worden.

De onderzoekers hebben niet alleen een statisch document geschreven; ze hebben een levend, ademend instrument gebouwd dat kan groeien en veranderen. Het hele systeem wordt gehost op een publieke code-repository, wat betekent dat elke wetenschapper de code kan bekijken, verbeteringen kan voorstellen of nieuwe definities kan toevoegen naarmate het vakgebied vordert. Deze aanpak is een afwijking van traditionele methoden, waarbij wetenschappelijke definities vaak vastliggen in statische bestanden die moeilijk bij te werken zijn. Door een programmeertaal te gebruiken die gemakkelijk leesbaar is voor mensen, heeft het team het mogelijk gemaakt voor experts in magnetisme om direct samen te werken aan de structuur van de kennis zelf. Ze hebben ook een reeks digitale notebooks gemaakt die laten zien hoe andere onderzoekers dit systeem kunnen gebruiken om hun gegevens naar publieke archieven te uploaden, waardoor de informatie jarenlang vindbaar en bruikbaar blijft.

Het artikel presenteert deze ontologie als een fundamentele stap in plaats van een definitieve, perfecte oplossing. De auteurs erkennen dat het vakgebied van de magnetisme uitgestrekt en complex is, en dat hun werk een eerste versie is die verfijnd zal moeten worden naarmate meer experts bijdragen. Ze hebben al aangetoond dat het systeem werkt door het te integreren in softwaretools die magnetische gegevens verwerken, waarmee bewezen is dat het succesvol de kloof kan overbruggen tussen verschillende soorten simulaties en experimentele metingen. Hoewel het systeem momenteel de meest voorkomende magnetische eigenschappen en structuren dekt, plant het team om het uit te breiden naar meer gespecialiseerde verschijnselen en productieprocessen in de toekomst. Het uiteindelijke doel is om een naadloze informatiestroom te creëren waarbij gegevens gegenereerd door een computersimulatie direct begrepen kunnen worden door een laboratoriuminstrument, en vice versa.

Dit werk vertegenwoordigt een stille maar krachtige verschuiving in de manier waarop wetenschappelijke kennis wordt georganiseerd. Het beweegt weg van het idee dat gegevens slechts een verzameling getallen zijn en naar een visie waarbij gegevens een gestructureerd netwerk van betekenis zijn. Door een duidelijke, gedeelde taal voor magnetische materialen te bieden, hebben de onderzoekers een belangrijke barrière voor samenwerking weggenomen. Ze hebben geen nieuw magnetisch materiaal ontdekt of een nieuw type motor uitgevonden, maar ze hebben de infrastructuur gebouwd die de hele gemeenschap in staat zal stellen om effectiever samen te werken. In een vakgebied waar vooruitgang afhangt van het vermogen om resultaten over verschillende schalen en verschillende landen te vergelijken, is deze nieuwe gemeenschappelijke taal de sleutel tot het ontsluiten van snellere, betrouwbaardere en meer innovatieve oplossingen voor de technologieën van morgen.