MatInf: La Rivoluzione Open Source per i Dati nella Scienza dei Materiali

Ragazzi, diciamocelo, la scienza moderna nuota letteralmente nei dati. E questo è fantastico, perché apre porte a scoperte incredibili! Però, c’è un “ma”. Come gestiamo tutto questo ben di Dio, specialmente in un campo complesso e variegato come la scienza dei materiali? Qui i dati non sono solo tanti, sono anche incredibilmente diversi: risultati di simulazioni, dati sperimentali grezzi da strumenti che parlano linguaggi proprietari, file strutturati come XML o JSON, fogli di calcolo… un vero melting pot digitale!

Negli ultimi anni sono nati tanti sistemi specializzati, ma spesso manca una soluzione che sia allo stesso tempo aperta (open-source), flessibile e capace di adattarsi alle esigenze specifiche di ogni laboratorio o progetto di ricerca collaborativo. Insomma, serviva qualcosa che potesse davvero mettere ordine nel caos creativo della ricerca sui materiali.

Ecco MatInf: Flessibilità e Potenza al Vostro Servizio

Ed è qui che entriamo in gioco noi con MatInf! Cos’è? È la nostra proposta: una soluzione software estensibile e open-source pensata apposta per la digitalizzazione della ricerca nella scienza dei materiali. L’abbiamo costruita mettendo insieme le nostre esperienze nel campo dei materiali e nell’ingegneria del software, pensando proprio alle sfide che affrontiamo ogni giorno nei nostri laboratori.

Il bello di MatInf è che si basa su un sistema di gestione delle informazioni adattivo e flessibile, capace di “digerire” fonti di dati eterogenee. Questo significa che può essere facilmente adattato a qualsiasi laboratorio di scienza dei materiali ed è una manna dal cielo per i progetti collaborativi tra diversi gruppi di ricerca, magari anche geograficamente distanti.

Abbiamo visto che i sistemi esistenti, anche ottimi punti di partenza come alcuni Electronic Lab Notebook (ELN) open-source (eLabFTW, openBIS) o piattaforme di gestione dati della ricerca (RDMS) come NOMAD, Kadi4mat o Chemotion, avevano delle limitazioni. Spesso mancava il supporto completo per tipi di dati definiti dall’utente o la personalizzazione necessaria per gestire workflow complessi, come quelli dell’high-throughput experimentation (sperimentazione ad alto rendimento), dove si sintetizzano e caratterizzano tantissimi campioni in poco tempo.

Perché MatInf? Superare i Limiti Esistenti

Vi chiederete: ma perché sviluppare qualcosa di nuovo? Perché ci siamo resi conto che, per esempio, gestire i dati specifici della sintesi combinatoria di librerie di materiali a film sottile e la loro caratterizzazione high-throughput richiedeva spesso sviluppi personalizzati pesanti su piattaforme esistenti, senza una vera integrazione. Inoltre, nel nostro lavoro, abbiamo bisogno di una stretta integrazione tra diversi “oggetti” informativi – ad esempio, arricchire un campione esistente con nuovi dati man mano che arrivano – capacità non sempre disponibili altrove.

MatInf nasce proprio per colmare questi vuoti: gestire dati eterogenei, collegare risultati teorici e sperimentali, e offrire quella flessibilità indispensabile per tenere il passo con formati di dati sempre nuovi, specialmente negli esperimenti high-throughput che sono la base per la futura sperimentazione autonoma.

Sotto il Cofano: Architettura e Magie Tecniche

Come fa MatInf a essere così flessibile? Il segreto sta nell’architettura. È una soluzione web modulare basata su tecnologia ASP.Net Core e un database relazionale SQL Server. Abbiamo usato il pattern Model-View-Controller (MVC) per renderla ben strutturata e manutenibile.

Ma il cuore pulsante è il suo sistema di tipi di oggetto estensibile. Cosa significa? Che non solo MatInf supporta nativamente oggetti fondamentali per la scienza dei materiali come:

• Sistema materiale: L’insieme degli elementi chimici presenti (es. Ni-Ti, Fe-Co-O).
• Materiale: La composizione chimica quantificata (es. Co3O4, Li3NbO4).
• Modificazione: Una forma specifica del materiale (es. fase cristallina, film sottile, polvere).

Ma permette anche di definire nuovi tipi di oggetto con le loro proprietà specifiche! E la vera magia è che può delegare compiti come la validazione dei dati, l’estrazione di informazioni utili (import) e la visualizzazione a servizi esterni, accessibili tramite API. Questo vuol dire che se domani inventate un nuovo tipo di misura con un formato di file stranissimo, si può creare un piccolo servizio esterno che “insegni” a MatInf come capirlo, validarlo e visualizzarlo, senza dover modificare il cuore del sistema. Geniale, no?

Abbiamo pensato anche alla gestione degli utenti e alla sicurezza:

• Supporto per “tenant” multipli: ogni gruppo di lavoro può avere la sua istanza indipendente di MatInf.
• Registrazione utenti e sistema di autorizzazione (anche con sistemi esterni tipo OpenID Connect).
• Ruoli utente predefiniti: Amministratore, Power User (può aggiungere/modificare i propri oggetti), User (sola lettura per oggetti protetti).
• Livelli di accesso per ogni oggetto: Pubblico, Protetto, ProtettoNDA (per dati sensibili), Privato (visibile solo all’autore).

Inoltre, è possibile caricare e organizzare gli oggetti in modo strutturato usando classificatori gerarchici (come cartelle ad albero) e stabilire collegamenti tra oggetti correlati, creando veri e propri grafi della conoscenza del vostro progetto.

MatInf in Azione: Dall’High-Throughput alla Collaborazione

Ma vediamo MatInf all’opera. Immaginate di avere una “libreria di materiali”, cioè una collezione di campioni prodotti insieme. Quando importate i risultati di un’analisi composizionale per quella libreria, MatInf non solo collega il documento dei risultati all’oggetto “libreria”, ma crea anche oggetti collegati per la composizione specifica di ogni area misurata sulla libreria. Tutto connesso, tutto rintracciabile!

La capacità di collegare oggetti è fondamentale. E la visualizzazione? MatInf ha un supporto integrato per dati tabellari e grafici standard, ma brilla quando si tratta di visualizzazioni specifiche, come le mappe colorate delle proprietà su una libreria di materiali (Fig. 4 nell’articolo originale), dove vedi subito come una proprietà cambia al variare della composizione. E se serve qualcosa di ancora più specifico, si può collegare un’applicazione web esterna per visualizzazioni su misura.

E la ricerca? Potentissima! Si può cercare per tipo di oggetto, per parole nel nome o nella descrizione, per autore, per data, ma soprattutto per proprietà specifiche (anche con intervalli per i numeri o sottostringhe per il testo) e per composizione chimica, grazie a un’interfaccia integrata con la tavola periodica. Trovare quel campione specifico con quella proprietà in quel range di composizione diventa un gioco da ragazzi. E le URL di ricerca sono persistenti, così potete condividere i risultati con i colleghi.

Il Futuro è Open: Crescere Insieme alla Comunità

MatInf non è un punto d’arrivo, ma un viaggio che stiamo continuando. È un sistema vivo, in continuo sviluppo. I prossimi passi? Migliorare ulteriormente la personalizzazione per i singoli tenant e implementare API per l’inserimento diretto dei dati nel sistema, magari direttamente dagli strumenti di misura. Questo aprirà la strada alla raccolta automatizzata dei dati di ricerca e ad analisi ancora più avanzate, magari usando sistemi software esterni che comunicano con MatInf.

Crediamo fermamente nel potere dell’open-source. Per questo il codice sorgente di MatInf è disponibile (trovate il link nel paper originale) e stiamo preparando documentazione e template per aiutare chiunque voglia contribuire a sviluppare il sistema o a connettere nuovi formati di dati. Speriamo di far crescere una comunità attorno a MatInf, perché siamo convinti che condividere strumenti e idee sia il modo migliore per far progredire la digitalizzazione nella scienza dei materiali e rendere la nostra ricerca più efficiente. Siamo anche apertissimi a collaborare e scambiare funzionalità con altre iniziative simili, come quelle dei consorzi NFDI.

Pronti a Digitalizzare la Vostra Ricerca?

Insomma, MatInf è la nostra scommessa per portare ordine, flessibilità e potenza nella gestione dei dati della scienza dei materiali. È uno strumento pensato da ricercatori per ricercatori, nato dalle esigenze concrete del laboratorio e progettato per crescere ed evolversi. Se anche voi siete stanchi di destreggiarvi tra file sparsi, formati incompatibili e difficoltà nel condividere e ritrovare i dati, forse MatInf è la soluzione che stavate cercando. Dateci un’occhiata!

Fonte: Springer