استخدام الذكاء الاصطناعي لهندسة خصائص المواد "

نظام جديد لل"الهندسة سلالة" يمكن تغيير المواد والبصرية, الكهرباء, والخواص الحرارية. يمكن تطبيق فقط قليلا من سلالة إلى قطعة من أشباه الموصلات أو غيرها من المواد البلورية تشوه الترتيب المنظم للذرات في هيكلها بما يكفي للتسبب تغييرات جذرية في خصائصه, مثل الطريقة التي موصلة للكهرباء, ينقل الضوء, أو يوصل الحرارة.

الآن, وقد وجد فريق من الباحثين في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وروسيا وسنغافورة طرق لاستخدام الذكاء الاصطناعي للمساعدة على التنبؤ والتحكم في هذه التغييرات, ما يفتح الباب أمام سبل جديدة للبحث على المواد المتقدمة لأجهزة عالية التقنية في المستقبل.

تظهر نتائج هذا الأسبوع في وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم, في ورقة من تأليف أستاذ MIT للعلوم والهندسة النووية وعلوم وهندسة المواد جو لي, MIT مدير عالم أبحاث مينغ داو, وMIT طالب دراسات عليا زهي شي, مع يفجيني Tsymbalov والكسندر Shapeev في معهد سكولكوفو للعلوم والتكنولوجيا في روسيا, وسوبرا سوريش, وفانيفار بوش أستاذ فخري والعميد السابق الهندسة في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا والرئيس الحالي للجامعة نانيانغ التكنولوجية في سنغافورة.

سابقا, بناء على العمل في وقت سابق في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا, وقد أدرجت بعض درجة من سلالة مرونة في بعض رقائق السيليكون المعالج. حتى 1 التغيير في المئة في بنية ويمكن في بعض الحالات تحسين سرعة الجهاز عن طريق 50 نسبه مئويه, من خلال السماح الإلكترونات على التحرك من خلال المواد بشكل أسرع.

البحوث التي أجريت مؤخرا من قبل سوريش, داو, ويانغ لو, ومرحلة ما بعد الدكتوراه MIT السابق حاليا في جامعة سيتي في هونغ كونغ, أظهرت أنه حتى الماس, أقوى وأقسى مادة موجودة في الطبيعة, يمكن أن تمتد مطاطيا بنسبة تصل إلى 9 في المئة من دون فشل عندما يكون في شكل الإبر نانومتر الحجم. أثبت لي ويانغ بالمثل أن الأسلاك النانوية من السيليكون يمكن أن تمتد مطاطيا بحتة بأكثر من 15 نسبه مئويه. لقد فتحت هذه الاكتشافات آفاقًا جديدة لاستكشاف كيفية تصنيع الأجهزة مع تغييرات أكثر دراماتيكية في خصائص المواد..

سلالة التي أدخلت على النظام

على عكس وسائل أخرى لتغيير خصائص المواد ل, مثل المنشطات الكيميائية, التي تنتج دائمة, تغيير ثابت, الهندسة سلالة تسمح خصائص للتغيير على الطاير. "الانفعال هو شيء يمكنك تشغيل وإيقاف حيوي,"يقول لي.

لكن إمكانات المواد المهندسة سلالة أعيق من قبل مجموعة رهيبة من الاحتمالات. سلالة يمكن تطبيقها في أي من ستة طرق مختلفة (في ثلاثة أبعاد مختلفة, كل واحدة منها يمكن أن تنتج سلالة في والمغادرة أو جانبية), ومع تدرجات لانهائية تقريبا من درجة, لذلك مجموعة كاملة من الاحتمالات غير عملي لاستكشاف ببساطة عن طريق التجربة والخطأ. "انها تنمو بسرعة ل 100 مليون عملية حسابية إذا كنا نريد لرسم مساحة الضغط المرنة كامل,"يقول لي.

هذا هو المكان الذي يأتي تطبيق هذا الفريق رواية من أساليب التعلم آلة لانقاذ, توفير وسيلة منهجية لاستكشاف الاحتمالات وصاروخ موجه في على مقدار واتجاه الضغط المناسب لتحقيق مجموعة معينة من خصائص لغرض معين. "الآن لدينا هذه الطريقة جدا عالية الدقة" الذي يقلل بشكل كبير من تعقيد الحسابات اللازمة, يقول لي.

"هذا العمل هو توضيح التطورات الأخيرة في مجالات كيف تبدو بعيدة مثل الفيزياء المواد, الذكاء الاصطناعي, الحوسبة, وتعلم الآلة لا يمكن أن تتحقق معا لتقدم المعرفة العلمية التي لها انعكاسات قوية لصناعة تطبيق,"يقول سوريش.

الطريقة الجديدة, ويقول الباحثون, يمكن أن تفتح آفاقا لخلق مواد ضبطها بدقة لالإلكترونية, الكتروضوئي, والأجهزة الضوئية التي يمكن أن تجد استخدامات للاتصالات, معالجة المعلومات, وتطبيقات الطاقة.

عندما يتم تطبيق كمية صغيرة من سلالة إلى مادة بلورية مثل السيليكون, خصائصه يمكن أن تتغير بشكل كبير; فمثلا, يمكن أن تتحول من عرقلة التيار الكهربائي إلى إجراء بحرية مثل المعادن. ائتمان: فرانك شي

درس الباحثون آثار الضغط على فجوة الحزمة, خاصية الإلكترونية الرئيسية من أشباه الموصلات, في كل من السليكون والماس. باستخدام خوارزمية الشبكة العصبية الخاصة, أنهم كانوا قادرين على التنبؤ بدقة عالية كيف مبالغ وتوجهات مختلفة من سلالة شأنه أن يؤثر على فجوة الحزمة.

"ضبط" من فجوة الحزمة يمكن أن تكون أداة أساسية لتحسين كفاءة جهاز, مثل الخلايا الشمسية السيليكون, عن طريق الحصول على لمطابقة أكثر دقة هذا النوع من مصادر الطاقة التي تم تصميمها لتسخير. بواسطة صقل فجوة الحزمة لها, فمثلا, قد يكون من الممكن لجعل الخلايا الشمسية السيليكون الذي هو مجرد فعالة في التقاط أشعة الشمس كما نظرائه ولكن ليست سوى واحد في الألف سميكة كما. نظريا, المادة "يمكن أن تتغير حتى من أشباه الموصلات إلى المعادن, والتي سيكون لها العديد من التطبيقات, إذا كان هذا هو قابل للتحقيق في منتج ذات الإنتاج الضخم,"يقول لي.

في حين أنه من الممكن في بعض الحالات للحث على تغييرات مماثلة بوسائل أخرى, مثل وضع المواد في حقل كهربائي قوي أو كيميائيا تغيير ذلك, تميل هذه التغييرات لدينا العديد من الآثار الجانبية على سلوك المواد في, في حين تغيير سلالة لديها عدد أقل من الآثار الجانبية مثل هذه. فمثلا, يفسر لي, مجال الكهرباء وغالبا ما يتداخل مع تشغيل الجهاز لأنه يؤثر على طريقة تدفق الكهرباء من خلال ذلك. تغيير سلالة لا ينتج مثل هذا التدخل.

إمكانية الماس

الماس لديها امكانات كبيرة كمادة أشباه الموصلات, على الرغم من أنه لا يزال في مراحله الأولى بالمقارنة مع تكنولوجيا السيليكون. واضاف "انها مادة المتطرفة, مع التنقل الناقل عالية,"يقول لي, في اشارة الى الطريقة ناقلات السلبية والإيجابية للتحرك التيار الكهربائي بحرية من خلال الماس. وبسبب ذلك, الماس يمكن أن تكون مثالية لبعض أنواع الأجهزة الإلكترونية عالية التردد والالكترونيات والكهرباء.

من قبل بعض التدابير, يقول لي, الماس يحتمل أن تؤدي 100,000 مرة أفضل من السيليكون. لكنه لا يملك غيرها من القيود, بما في ذلك حقيقة أن أحدا لم ترد بعد على وسيلة جيدة وقابلة للتطوير لوضع طبقات الماس على ركيزة كبيرة. والمواد هي أيضا صعبة "منشطات,"أو إدخال ذرات أخرى إلى, جزء رئيسي من تصنيع أشباه الموصلات.

بواسطة تركيب المواد في الإطار الذي يمكن تعديلها لتغيير حجم والتوجه للسلالة, يقول داو, "نحن يمكن أن يكون قدرا كبيرا من المرونة" في تغيير السلوك إشابة لها.

في حين أن هذه الدراسة ركزت بشكل خاص على آثار الضغط على فجوة الحزمة المواد ", "هذه الطريقة للتعميم" إلى جوانب أخرى, التي تؤثر على الخصائص الإلكترونية فحسب، بل أيضا خصائص أخرى مثل السلوك الضوئية والمغناطيسية, يقول لي. من 1 في المئة السلالة المستخدمة حاليا في رقائق التجارية, فتح العديد من التطبيقات الجديدة حتى الآن أن هذا الفريق قد أظهرت أن سلالات تقريبا 10 في المئة ممكنة من دون كسر. وقال "عندما تحصل على أكثر من 7 سلالة في المئة, كنت حقا تغيير الكثير في المواد," هو يقول.

"هذه الطريقة الجديدة يمكن أن تؤدي إلى تصميم خصائص المواد غير مسبوقة,"يقول لي. واضاف "لكن الكثير مزيد من العمل وستكون هناك حاجة لمعرفة كيفية فرض الضغوط وكيفية توسيع نطاق عملية للقيام بذلك على 100 مليون ترانزستور على رقاقة [والتأكد من أن] يمكن أن تفشل أيا منهم ".

"هذا العمل المبتكر الجديد يوضح المحتملة لتسريع كبيرة في الهندسة من الخصائص الإلكترونية الغريبة في المواد العادية عبر سلالات مرونة كبيرة,"ويقول إيفان ريد, وهو أستاذ مشارك في علوم وهندسة المواد في جامعة ستانفورد, الذي لم يشارك في هذا البحث. "ويسلط الضوء على الفرص والقيود التي المعروضات الطبيعة لهذه الهندسة سلالة, وسوف تكون ذات فائدة لطيف واسع من الباحثين العاملين في مجال التقنيات المهمة ".

مصدر: HTTP://news.mit.edu, ديفيد L. الشماع