美國(guó)能源部(DOE)布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家已經(jīng)成功地證明了自主方法可以發(fā)現(xiàn)新材料。人工智能(AI)驅(qū)動(dòng)的技術(shù)導(dǎo)致了三種新納米結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)，包括首創(chuàng)的納米級(jí)“階梯”。這項(xiàng)研究今天發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》上。

新發(fā)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)是通過稱為自組裝的過程形成的，其中材料的分子將自己組織成獨(dú)特的圖案。布魯克海文功能納米材料中心(CFN)的科學(xué)家是指導(dǎo)自組裝過程的專家，為材料創(chuàng)建模板，以形成微電子，催化等應(yīng)用的理想安排。他們對(duì)納米級(jí)梯子和其他新結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步擴(kuò)大了自組裝的應(yīng)用范圍。

“自組裝可以用作納米圖案化技術(shù)，這是微電子和計(jì)算機(jī)硬件進(jìn)步的驅(qū)動(dòng)力，”CFN科學(xué)家和合著者Gregory Doerk說。“這些技術(shù)總是在推動(dòng)使用更小的納米圖案實(shí)現(xiàn)更高的分辨率。你可以從自組裝材料中獲得非常小且嚴(yán)格控制的特征，但它們不一定遵守我們?yōu)殡娐分贫ǖ囊?guī)則。通過使用模板指導(dǎo)自組裝，我們可以形成更有用的模式。

CFN是美國(guó)能源部科學(xué)用戶設(shè)施辦公室的科學(xué)家，旨在建立一個(gè)自組裝納米圖案類型的庫(kù)，以擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。在之前的研究中，他們證明了通過將兩種自組裝材料混合在一起可以實(shí)現(xiàn)新型圖案。

“我們現(xiàn)在可以創(chuàng)建一個(gè)以前從未夢(mèng)想過的梯形結(jié)構(gòu)，這一事實(shí)令人驚訝，”CFN小組負(fù)責(zé)人和合著者Kevin Yager說。“傳統(tǒng)的自組裝只能形成相對(duì)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，如圓柱體、片材和球體。但是通過將兩種材料混合在一起并使用恰到好處的化學(xué)光柵，我們發(fā)現(xiàn)全新的結(jié)構(gòu)是可能的。

將自組裝材料混合在一起使CFN科學(xué)家能夠發(fā)現(xiàn)獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，但也帶來了新的挑戰(zhàn)。在自組裝過程中需要控制更多的參數(shù)，找到正確的參數(shù)組合來創(chuàng)建新的和有用的結(jié)構(gòu)是一場(chǎng)與時(shí)間的斗爭(zhēng)。為了加速他們的研究，CFN科學(xué)家利用了一項(xiàng)新的人工智能能力：自主實(shí)驗(yàn)。

與美國(guó)能源部勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室能源研究應(yīng)用高等數(shù)學(xué)中心(CAMERA)合作，CFN的布魯克海文科學(xué)家和國(guó)家同步加速器光源II(NSLS-II)，布魯克海文實(shí)驗(yàn)室的另一個(gè)能源部科學(xué)用戶設(shè)施辦公室，一直在開發(fā)一個(gè)人工智能框架，可以自主定義和執(zhí)行實(shí)驗(yàn)的所有步驟。CAMERA的gpCAM算法驅(qū)動(dòng)了框架的自主決策。最新的研究是該團(tuán)隊(duì)首次成功證明了該算法發(fā)現(xiàn)新材料的能力。

“gpCAM是一種用于自主實(shí)驗(yàn)的靈活算法和軟件，”伯克利實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家和合著者M(jìn)arcus Noack說。“在這項(xiàng)研究中，它被特別巧妙地用于自主探索模型的不同特征。

“在伯克利實(shí)驗(yàn)室同事的幫助下，我們已經(jīng)準(zhǔn)備好了這個(gè)軟件和方法，現(xiàn)在我們已經(jīng)成功地使用它來發(fā)現(xiàn)新材料，”Yager說。“我們現(xiàn)在已經(jīng)對(duì)自主科學(xué)有了足夠的了解，我們可以非常輕松地將材料問題轉(zhuǎn)化為自主問題。

為了使用他們的新算法加速材料發(fā)現(xiàn)，該團(tuán)隊(duì)首先開發(fā)了一個(gè)具有一系列特性的復(fù)雜樣品進(jìn)行分析。研究人員使用CFN納米制造設(shè)施制造樣品，并在CFN材料合成設(shè)施中進(jìn)行自組裝。

“做材料科學(xué)的一種老派方法是合成一個(gè)樣本，測(cè)量它，從中學(xué)習(xí)，然后回去制作一個(gè)不同的樣本并繼續(xù)迭代這個(gè)過程，”Yager說。“相反，我們制作了一個(gè)樣本，其中包含我們感興趣的每個(gè)參數(shù)的梯度。因此，這個(gè)單一的樣本是許多不同材料結(jié)構(gòu)的大量集合。

然后，研究小組將樣品帶到NSLS-II，它產(chǎn)生超亮X射線用于研究材料結(jié)構(gòu)。CFN與NSLS-II合作運(yùn)營(yíng)三個(gè)實(shí)驗(yàn)站，其中一個(gè)用于本研究，軟物質(zhì)界面(SMI)光束線。

“SMI光束線的優(yōu)勢(shì)之一是它能夠?qū)射線束聚焦在樣品上，精確到微米，”NSLS-II科學(xué)家和合著者M(jìn)asa Fukuto說。“通過分析這些微束X射線如何被材料散射，我們了解了材料在照明點(diǎn)的局部結(jié)構(gòu)。然后，在許多不同的點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量可以揭示梯度樣品中的局部結(jié)構(gòu)如何變化。在這項(xiàng)工作中，我們讓AI算法在飛行中挑選接下來要測(cè)量的點(diǎn)，以最大化每次測(cè)量的價(jià)值。

由于樣品是在SMI光束線上測(cè)量的，該算法在沒有人工干預(yù)的情況下創(chuàng)建了材料眾多不同結(jié)構(gòu)集的模型。該模型隨著每次后續(xù)的X射線測(cè)量而更新，使每次測(cè)量都更具洞察力和準(zhǔn)確性。

在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)，該算法已經(jīng)確定了復(fù)雜樣本中的三個(gè)關(guān)鍵區(qū)域，供CFN研究人員進(jìn)行更仔細(xì)的研究。他們使用CFN電子顯微鏡設(shè)備對(duì)這些關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行精細(xì)的細(xì)節(jié)成像，揭示了納米級(jí)梯子的軌道和梯級(jí)，以及其他新穎的特征。

從開始到結(jié)束，實(shí)驗(yàn)運(yùn)行了大約六個(gè)小時(shí)。研究人員估計(jì)，使用傳統(tǒng)方法，他們需要大約一個(gè)月的時(shí)間才能發(fā)現(xiàn)這一發(fā)現(xiàn)。

“自主方法可以極大地加速發(fā)現(xiàn)，”Yager說。“它本質(zhì)上是'收緊'科學(xué)通常的發(fā)現(xiàn)循環(huán)，以便我們更快地在假設(shè)和測(cè)量之間循環(huán)。然而，除了速度之外，自主方法增加了我們可以研究的范圍，這意味著我們可以解決更具挑戰(zhàn)性的科學(xué)問題。

“展望未來，我們希望研究多個(gè)參數(shù)之間的復(fù)雜相互作用。我們使用CFN計(jì)算機(jī)集群進(jìn)行了模擬，驗(yàn)證了我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，但它們也表明其他參數(shù)(如薄膜厚度)也可以發(fā)揮重要作用，“Doerk說。

該團(tuán)隊(duì)正在積極將他們的自主研究方法應(yīng)用于自組裝中更具挑戰(zhàn)性的材料發(fā)現(xiàn)問題，以及其他類別的材料。自主發(fā)現(xiàn)方法適應(yīng)性強(qiáng)，幾乎可以應(yīng)用于任何研究問題。

“我們現(xiàn)在正在將這些方法部署到來到CFN和NSLS-II進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的廣泛用戶社區(qū)，”Yager說。“任何人都可以與我們合作，加速探索他們的材料研究。我們預(yù)計(jì)這將在未來幾年內(nèi)帶來許多新發(fā)現(xiàn)，包括在清潔能源和微電子等國(guó)家優(yōu)先領(lǐng)域。