滿足材料業(yè)需求，準(zhǔn)確率達(dá)95%，機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測復(fù)雜新材料合成

據(jù)22日發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上的一項(xiàng)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(jī)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(zhǔn)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?cái)U(kuò)展了研究人員的視野。每個(gè)“巨庫”都包含數(shù)百萬甚至數(shù)十億個(gè)納米結(jié)構(gòu)，每個(gè)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(jìn)行了位置編碼。迄今為止，每個(gè)芯片包含的新無機(jī)材料比科學(xué)家收集和分類的還要多。

研究團(tuán)隊(duì)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(duì)數(shù)十萬個(gè)特征進(jìn)行特定位置的沉積。

在繪制人類基因組圖譜時(shí)，科學(xué)家的任務(wù)是識(shí)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(biāo)記它們，也需要不同的工具。機(jī)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(jī)器學(xué)習(xí)的結(jié)合可能最終會(huì)解決這個(gè)問題，從而了解哪些參數(shù)會(huì)驅(qū)動(dòng)某些材料特性。

在該項(xiàng)研究中，米爾金團(tuán)隊(duì)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(huì)產(chǎn)生某種結(jié)構(gòu)特征的四個(gè)、五個(gè)和六個(gè)元素的組成。在19次預(yù)測中，機(jī)器學(xué)習(xí)模型正確預(yù)測了18次新材料，準(zhǔn)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(huì)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(dòng)對(duì)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(jí)回收、太陽能電池、超導(dǎo)體和量子比特。該團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在正在使用這種方法尋找對(duì)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(jìn)氫氣產(chǎn)生、二氧化碳利用和燃料電池的開發(fā)。

標(biāo)簽： 預(yù)測，學(xué)習(xí)，復(fù)雜