Uso de inteligencia artificial para modificar las propiedades de los materiales

El nuevo sistema de "ingeniería de deformación" puede cambiar la óptica de un material, eléctrico, y propiedades térmicas. La aplicación de sólo un poco de tensión a una pieza de semiconductor u otro material cristalino puede deformar la disposición ordenada de átomos en su estructura lo suficiente como para causar cambios dramáticos en sus propiedades, tales como la forma en que se conduce la electricidad, transmite la luz, o conduce el calor.

Ahora, un equipo de investigadores del MIT y en Rusia y Singapur han encontrado maneras de utilizar la inteligencia artificial para ayudar a predecir y controlar estos cambios, lo que podría abrir nuevas vías de investigación sobre materiales avanzados para los futuros dispositivos de alta tecnología.

Los hallazgos aparecen esta semana en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias, en un artículo escrito por el profesor de ciencia e ingeniería nuclear del MIT y de ciencia e ingeniería de materiales Ju Li, Ming Dao, científico investigador principal del MIT, y el estudiante graduado del MIT Zhe Shi, con Evgeni Tsymbalov y Alexander Shapeev en el Instituto Skolkovo de Ciencia y Tecnología en Rusia, y Subra Suresh, el profesor emérito Vannevar Bush y ex decano de ingeniería del MIT y actual presidente de la Universidad Tecnológica de Nanyang en Singapur.

Ya, basado en un trabajo anterior en el MIT, se ha incorporado cierto grado de tensión elástica en algunos chips de procesador de silicio. Incluso un 1 cambio porcentual en la estructura puede en algunos casos mejorar la velocidad del dispositivo por 50 por ciento, al permitir que los electrones se muevan a través del material más rápido.

Investigaciones recientes de Suresh, Dao, y Yang Lu, un ex postdoctorado del MIT ahora en la Universidad de la Ciudad de Hong Kong, demostró que incluso el diamante, el material más fuerte y duro que se encuentra en la naturaleza, puede estirarse elásticamente tanto como 9 por ciento sin fallos cuando se presenta en forma de agujas de tamaño nanométrico. Li y Yang demostraron de manera similar que los cables de silicio a nanoescala se pueden estirar de forma puramente elástica en más de 15 por ciento. Estos descubrimientos han abierto nuevas vías para explorar cómo se pueden fabricar dispositivos con cambios aún más drásticos en las propiedades de los materiales..

Cepa hecha a pedido

A diferencia de otras formas de cambiar las propiedades de un material, como el dopaje químico, que producen una permanente, cambio estático, la ingeniería de deformación permite cambiar las propiedades sobre la marcha. “La tensión es algo que puedes activar y desactivar dinámicamente,”Li dice.

Pero el potencial de los materiales de ingeniería de deformación se ha visto obstaculizado por la abrumadora gama de posibilidades.. La tensión se puede aplicar en cualquiera de las seis formas diferentes. (en tres dimensiones diferentes, cada uno de los cuales puede producir tensión hacia adentro y hacia afuera o hacia los lados), y con gradaciones casi infinitas de grado, por lo que la gama completa de posibilidades es poco práctica para explorar simplemente por ensayo y error. “Crece rápidamente a 100 millones de cálculos si queremos mapear todo el espacio de deformación elástica,”Li dice.

Ahí es donde la aplicación novedosa de métodos de aprendizaje automático de este equipo viene al rescate., proporcionar una forma sistemática de explorar las posibilidades y orientarse hacia la cantidad y la dirección apropiadas de tensión para lograr un conjunto dado de propiedades para un propósito particular. “Ahora tenemos este método de muy alta precisión” que reduce drásticamente la complejidad de los cálculos necesarios, Li dice.

“Este trabajo es una ilustración de cómo los avances recientes en campos aparentemente distantes como la física de materiales, y fue financiado por el Consejo de Investigación Médica, informática, y el aprendizaje automático se pueden unir para avanzar en el conocimiento científico que tiene fuertes implicaciones para la aplicación de la industria,Suresh dice.

el nuevo metodo, los investigadores dicen, podría abrir posibilidades para la creación de materiales ajustados con precisión para la electrónica, optoelectrónico, y dispositivos fotónicos que podrían encontrar usos para las comunicaciones, procesamiento de información, y aplicaciones energéticas.

Cuando se aplica una pequeña cantidad de tensión a un material cristalino como el silicio, sus propiedades pueden cambiar dramáticamente; por ejemplo, puede pasar de bloquear la corriente eléctrica a conducirla libremente como un metal. Crédito: franco shi

El equipo estudió los efectos de la tensión en la banda prohibida, una propiedad electrónica clave de los semiconductores, tanto en silicio como en diamante. Usando su algoritmo de red neuronal, fueron capaces de predecir con alta precisión cómo las diferentes cantidades y orientaciones de tensión afectarían la banda prohibida.

La “sintonización” de una banda prohibida puede ser una herramienta clave para mejorar la eficiencia de un dispositivo, como una celda solar de silicio, haciendo que coincida con mayor precisión con el tipo de fuente de energía que está diseñado para aprovechar. Afinando su banda prohibida, por ejemplo, puede ser posible hacer una celda solar de silicio que sea tan efectiva para capturar la luz solar como sus contrapartes, pero que tenga solo una milésima parte del grosor. En teoria, el material “puede incluso cambiar de un semiconductor a un metal, y eso tendria muchas aplicaciones, si eso es factible en un producto producido en masa,”Li dice.

Si bien es posible en algunos casos inducir cambios similares por otros medios, como poner el material en un campo eléctrico fuerte o alterarlo químicamente, esos cambios tienden a tener muchos efectos secundarios en el comportamiento del material, mientras que cambiar la cepa tiene menos efectos secundarios. Por ejemplo, li explica, un campo electrostático a menudo interfiere con el funcionamiento del dispositivo porque afecta la forma en que la electricidad fluye a través de él. Cambiar la tensión no produce tal interferencia..

El potencial del diamante

El diamante tiene un gran potencial como material semiconductor., aunque todavía está en pañales en comparación con la tecnología de silicio. “Es un material extremo, con alta movilidad del portador,”Li dice, refiriéndose a la forma en que los portadores negativos y positivos de corriente eléctrica se mueven libremente a través del diamante. Por eso, el diamante podría ser ideal para algunos tipos de dispositivos electrónicos de alta frecuencia y para la electrónica de potencia.

Por algunas medidas, Li dice, el diamante podría potencialmente realizar 100,000 veces mejor que el silicio. Pero tiene otras limitaciones., incluido el hecho de que nadie ha descubierto aún una forma buena y escalable de colocar capas de diamante en un sustrato grande. El material también es difícil de "dopar".,o introducir otros átomos en, una parte clave de la fabricación de semiconductores.

Montando el material en un marco que se puede ajustar para cambiar la cantidad y la orientación de la tensión, Dao dice, “podemos tener una flexibilidad considerable” para alterar su comportamiento dopante.

Mientras que este estudio se centró específicamente en los efectos de la tensión en la banda prohibida de los materiales, “el método es generalizable” a otros aspectos, que afectan no solo a las propiedades electrónicas sino también a otras propiedades como el comportamiento fotónico y magnético, Li dice. Desde el 1 porcentaje de tensión que ahora se usa en chips comerciales, muchas aplicaciones nuevas se abren ahora que este equipo ha demostrado que las cepas de casi 10 por ciento son posibles sin fracturarse. “Cuando llegas a más de 7 por ciento de tensión, realmente cambias mucho en el material," él dice.

“Este nuevo método podría conducir potencialmente al diseño de propiedades materiales sin precedentes.,”Li dice. “Pero se necesitará mucho más trabajo para descubrir cómo imponer la tensión y cómo ampliar el proceso para hacerlo en 100 millones de transistores en un chip [y asegúrese de que] ninguno de ellos puede fallar”.

“Este nuevo trabajo innovador demuestra potencial para acelerar significativamente la ingeniería de propiedades electrónicas exóticas en materiales ordinarios a través de grandes deformaciones elásticas.,” dice Evan Reed, profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad de Stanford, quien no estuvo involucrado en esta investigación. “Arroja luz sobre las oportunidades y limitaciones que presenta la naturaleza para tal ingeniería de tensión., y será de interés para un amplio espectro de investigadores que trabajan en tecnologías importantes”.

Fuente: http://news.mit.edu, por David L. Velero