科技日報記者 張夢然
據(jù)22日發(fā)表在《科學(xué)進展》雜志上的一項研究，美國西北大學(xué)和豐田研究所研究人員已成功應(yīng)用機器學(xué)習(xí)來指導(dǎo)新納米材料的合成，消除與材料發(fā)現(xiàn)相關(guān)的障礙。這種訓(xùn)練有素的算法，可通過定義數(shù)據(jù)集來準確預(yù)測可用于清潔能源、化學(xué)和汽車行業(yè)燃料的重要催化劑。
論文通訊作者、美國西北大學(xué)納米技術(shù)專家查得·米爾金此次發(fā)明的數(shù)據(jù)生成工具 “巨庫”極大地擴展了研究人員的視野。每個“巨庫”都包含數(shù)百萬甚至數(shù)十億個納米結(jié)構(gòu)，每個納米結(jié)構(gòu)的形狀、結(jié)構(gòu)和成分都略有不同，所有這些都在2×2平方厘米的芯片上進行了位置編碼。迄今為止，每個芯片包含的新無機材料比科學(xué)家收集和分類的還要多。
研究團隊通過使用聚合物筆光刻技術(shù)開發(fā)了“巨庫”，這是一種大規(guī)模并行納米光刻工具，能夠每秒對數(shù)十萬個特征進行特定位置的沉積。
在繪制人類基因組圖譜時，科學(xué)家的任務(wù)是識別四種堿基的組合。但“材料基因組”包括元素周期表中任何可用元素的納米粒子組合，以及形狀、大小、相形態(tài)、晶體結(jié)構(gòu)等參數(shù)。以“巨庫”的形式構(gòu)建更小的納米粒子子集，將使研究人員更接近完成材料基因組的完整圖譜。
米爾金說，即使是類似于材料基因組的東西，確定如何使用或標記它們，也需要不同的工具。機器學(xué)習(xí)應(yīng)用程序非常適合解決定義和挖掘材料基因組的復(fù)雜性，但卻受限于創(chuàng)建數(shù)據(jù)集以在空間中訓(xùn)練算法的能力。“巨庫”與機器學(xué)習(xí)的結(jié)合可能最終會解決這個問題，從而了解哪些參數(shù)會驅(qū)動某些材料特性。
在該項研究中，米爾金團隊編譯了先前生成的由具有復(fù)雜成分、結(jié)構(gòu)、尺寸和形態(tài)的納米粒子組成的“巨庫”結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。他們使用這些數(shù)據(jù)來訓(xùn)練模型，并要求它預(yù)測會產(chǎn)生某種結(jié)構(gòu)特征的四個、五個和六個元素的組成。在19次預(yù)測中，機器學(xué)習(xí)模型正確預(yù)測了18次新材料，準確率約為95%。
該模型在西北大學(xué)建立的大型數(shù)據(jù)集上，以尋找具有圍繞相位、尺寸和其他結(jié)構(gòu)特征設(shè)置參數(shù)的多金屬納米粒子，而這些參數(shù)會改變納米粒子的特性和功能。
研究人員表示，該技術(shù)或能推動對未來至關(guān)重要的許多領(lǐng)域中的發(fā)現(xiàn)，包括塑料升級回收、太陽能電池、超導(dǎo)體和量子比特。該團隊現(xiàn)在正在使用這種方法尋找對清潔能源、汽車和化工行業(yè)的燃料過程至關(guān)重要的催化劑。確定新的綠色催化劑將使廢物和大量原料轉(zhuǎn)化為有用物質(zhì)促進氫氣產(chǎn)生、二氧化碳利用和燃料電池的開發(fā)。
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