Uzante artefaritan inteligentecon por realigi ecojn de materialoj

Nova sistemo de "trostreĉiĝo-inĝenierado" povas ŝanĝi la optikon de materialo, elektraj, kaj termikaj propraĵoj. Apliki nur iom da streĉo al peco de duonkonduktaĵo aŭ alia kristala materialo povas misformi la bonordan aranĝon de atomoj en ĝia strukturo sufiĉe por kaŭzi dramajn ŝanĝojn en ĝiaj trajtoj., kiel la maniero kiel ĝi kondukas elektron, transdonas lumon, aŭ kondukas varmon.

Nun, teamo de esploristoj ĉe MIT kaj en Rusio kaj Singapuro trovis manierojn uzi artefaritan inteligentecon por helpi antaŭdiri kaj kontroli ĉi tiujn ŝanĝojn., eble malfermante novajn vojojn de esplorado pri altnivelaj materialoj por estontaj altteknologiaj aparatoj.

La trovoj aperas ĉi-semajne en la Procedoj de la Nacia Akademio de Sciencoj, en artikolo verkita de MIT-profesoro pri nuklea scienco kaj inĝenierado kaj pri materiala scienco kaj inĝenierado Ju Li, Ĉefesploristo de la MIT Ming Dao, kaj MIT gradstudanto Zhe Shi, kun Evgeni Tsymbalov kaj Alexander Shapeev ĉe la Skolkovo Instituto de Scienco kaj Teknologio en Rusio, kaj Subra Suresh, la Vannevar Bush Profesoro Emerito kaj iama dekano de inĝenieristiko ĉe MIT kaj nuna prezidanto de Nanyang Technological University en Singapuro.

Jam, surbaze de pli frua laboro ĉe MIT, iu grado da elasta streĉo estis integrigita en kelkaj siliciaj procesorfritoj. Eĉ a 1 procenta ŝanĝo en la strukturo povas en iuj kazoj plibonigi la rapidecon de la aparato per 50 procento, permesante al elektronoj moviĝi tra la materialo pli rapide.

Lastatempa esplorado de Suresh, Dao, kaj Yang Lu, iama MIT-postdoktoro nun ĉe Urba Universitato de Honkongo, montris ke eĉ diamanto, la plej forta kaj malmola materialo trovita en la naturo, povas esti elaste etendita per tiom 9 procento sen fiasko kiam ĝi estas en formo de nanometro-grandaj pingloj. Li kaj Yang simile pruvis, ke nanoskalaj dratoj de silicio povas esti etenditaj pure elaste per pli ol 15 procento. Ĉi tiuj malkovroj malfermis novajn vojojn por esplori kiel aparatoj povas esti fabrikitaj kun eĉ pli dramaj ŝanĝoj en la propraĵoj de la materialoj..

Streĉaĵo farita laŭmende

Male al aliaj manieroj ŝanĝi la ecojn de materialo, kiel kemia dopado, kiuj produktas permanentan, statika ŝanĝo, streĉinĝenieristiko permesas trajtojn esti ŝanĝitaj sur la muŝo. "Treĉiĝo estas io, kion vi povas ŝalti kaj malŝalti dinamike,” Li diras.

Sed la potencialo de streĉiĝ-inĝenieritaj materialoj estis malhelpita de la timiga gamo da eblecoj. Streĉiĝo povas esti aplikata en iu ajn el ses malsamaj manieroj (en tri malsamaj dimensioj, ĉiu el kiuj povas produkti streĉon en- kaj eksteren aŭ flanken), kaj kun preskaŭ senfinaj gradoj, do la plena gamo de eblecoj estas nepraktike esplori simple per provo kaj eraro. “Ĝi rapide kreskas 100 miliono da kalkuloj se ni volas mapi la tutan elastan streĉan spacon,” Li diras.

Tie estas kie la nova aplikado de maŝinlernado de ĉi tiu teamo venas al la savo, disponigante sisteman manieron esplori la eblecojn kaj celi la taŭgan kvanton kaj direkton de streĉo por atingi antaŭfiksitan aron de propraĵoj por aparta celo.. "Nun ni havas ĉi tiun tre alt-precizan metodon", kiu draste reduktas la kompleksecon de la bezonataj kalkuloj., Li diras.

"Ĉi tiu laboro estas ilustraĵo de kiom lastatempaj progresoj en ŝajne malproksimaj kampoj kiel ekzemple materiala fiziko., La sistemo estis evoluigita en kunlaboro kun University of Cambridge Language Technology Lab, komputado, kaj maŝinlernado povas esti kunvenigita por antaŭenigi sciencan scion kiu havas fortajn implicojn por industria aplikado,”Diras Suresh.

La nova metodo, diras la esploristoj, povus malfermi eblecojn por krei materialojn agordis ĝuste por elektronika, optoelektronikaj, kaj fotonaj aparatoj kiuj povus trovi uzojn por komunikadoj, prilaborado de informoj, kaj energiaj aplikoj.

Kiam malgranda kvanto da streĉo estas aplikata al kristala materialo kiel silicio, ĝiaj propraĵoj povas ŝanĝiĝi draste; ekzemple, ĝi povas ŝanĝi de blokado de elektra kurento al kondukado de ĝi libere kiel metalo. Kredito: Frank Shi

La teamo studis la efikojn de streĉiĝo sur la bandgap, ŝlosila elektronika propraĵo de duonkonduktaĵoj, en kaj silicio kaj diamanto. Uzante ilian neŭralreton-algoritmon, ili povis antaŭdiri kun alta precizeco kiom malsamaj kvantoj kaj orientiĝoj de trostreĉiĝo influos la bandgap.

"Agordado" de bandgap povas esti ŝlosila ilo por plibonigi la efikecon de aparato, kiel ekzemple silicia sunĉelo, igante ĝin kongrui pli precize kun la speco de energifonto kiun ĝi estas dizajnita por utiligi. Per fajnagordado de ĝia bandgap, ekzemple, eble estas eble fari silician sunĉelon kiu estas same efika ĉe kaptado de sunlumo kiel ĝiaj ekvivalentoj sed estas nur unu milono pli dika.. En teorio, la materialo “eĉ povas ŝanĝiĝi de duonkonduktaĵo al metalo, kaj tio havus multajn aplikojn, se tio estas farebla en amasproduktita produkto,” Li diras.

Dum estas eble en iuj kazoj stimuli similajn ŝanĝojn per aliaj rimedoj, kiel meti la materialon en fortan elektran kampon aŭ kemie ŝanĝi ĝin, tiuj ŝanĝoj tendencas havi multajn kromefikojn sur la konduto de la materialo, dum ŝanĝi la trostreĉiĝon havas malpli da tiaj kromefikoj. Ekzemple, Li klarigas, elektrostatika kampo ofte influas la funkciadon de la aparato ĉar ĝi influas la manieron kiel elektro fluas tra ĝi. Ŝanĝi la trostreĉiĝon ne produktas tian interferon.

Potencialo de diamanto

Diamanto havas grandan potencialon kiel semikondukta materialo, kvankam ĝi estas ankoraŭ en sia infanaĝo kompare kun silicia teknologio. "Ĝi estas ekstrema materialo, kun alta portanta movebleco,” Li diras, rilatante al la maniero kiel negativaj kaj pozitivaj portantoj de elektra kurento libere moviĝas tra diamanto. Pro tio, diamanto povus esti ideala por iuj specoj de altfrekvencaj elektronikaj aparatoj kaj por potenca elektroniko.

Per iuj mezuroj, Li diras, diamanto eble povus rezulti 100,000 fojojn pli bone ol silicio. Sed ĝi havas aliajn limojn, inkluzive de la fakto, ke neniu ankoraŭ eltrovis bonan kaj skaleblan manieron meti diamantajn tavolojn sur grandan substraton.. La materialo ankaŭ malfacilas "dopi,” aŭ enkonduki aliajn atomojn en, esenca parto de semikonduktaĵproduktado.

Muntante la materialon en kadron, kiu povas esti ĝustigita por ŝanĝi la kvanton kaj orientiĝon de la streĉo, Dao diras, "ni povas havi konsiderindan flekseblecon" ŝanĝi ĝian dopantan konduton.

Dum ĉi tiu studo temigis specife la efikojn de streĉiĝo sur la bandgap de la materialoj, "la metodo estas ĝeneraligebla" al aliaj aspektoj, kiuj influas ne nur elektronikajn ecojn sed ankaŭ aliajn ecojn kiel fotona kaj magneta konduto, Li diras. El la 1 elcenta streĉo nun uzata en komercaj blatoj, multaj novaj aplikoj malfermiĝas nun kiam ĉi tiu teamo pruvis ke streĉoj de preskaŭ 10 procentoj eblas sen rompiĝo. “Kiam vi atingas pli ol 7 procento streĉo, vi vere ŝanĝas multe en la materialo,ne estis la scio ĉu vi havis la materialojn aŭ presan teknologion por ebligi ĉi tion.

"Ĉi tiu nova metodo eble povus konduki al la dezajno de senprecedencaj materialaj trajtoj,” Li diras. "Sed multe pli da laboro estos necesa por kompreni kiel trudi la streĉon kaj kiel pligrandigi la procezon por fari ĝin. 100 milionoj da transistoroj sur blato [kaj certigi tion] neniu el ili povas malsukcesi.”

"Ĉi tiu pionira nova laboro montras potencialon signife akceli la inĝenieristikon de ekzotikaj elektronikaj ecoj en ordinaraj materialoj per grandaj elastaj streĉoj.,” diras Evan Reed, lektoro pri materialscienco kaj inĝenieristiko en Universitato Stanford, kiu ne estis implikita en ĉi tiu esplorado. "Ĝi lumigas la ŝancojn kaj limojn, kiujn naturo elmontras por tia streĉa inĝenierado, kaj ĝi estos de intereso al larĝa spektro de esploristoj laborantaj pri gravaj teknologioj."

Fonto: http://novaĵoj.mit.edu, de David L. Kandelisto