Wykorzystanie sztucznej inteligencji do projektowania właściwości materiałów

Nowy system „inżynierii odkształcenia” może zmienić optykę materiału, elektryczny, i właściwości cieplne. Przyłożenie odrobiny napięcia do kawałka półprzewodnika lub innego materiału krystalicznego może zniekształcić uporządkowany układ atomów w jego strukturze na tyle, aby spowodować dramatyczne zmiany jego właściwości, takich jak sposób przewodzenia energii elektrycznej, przekazuje światło, lub przewodzi ciepło.

Ale już, zespół naukowców z MIT oraz z Rosji i Singapuru znalazł sposoby na wykorzystanie sztucznej inteligencji do przewidywania i kontrolowania tych zmian, potencjalnie otwiera nowe możliwości badań nad zaawansowanymi materiałami dla przyszłych zaawansowanych technologicznie urządzeń.

Wyniki pojawiają się w tym tygodniu w Materiały Narodowej Akademii Nauk, w artykule autorstwa profesora MIT nauk i inżynierii jądrowej oraz materiałoznawstwa i inżynierii Ju Li, Główny naukowiec MIT Ming Dao, i absolwent MIT Zhe Shi, z Jewgienijem Tsymbalowem i Aleksandrem Shapeevem w Instytucie Nauki i Technologii Skołkowo w Rosji, i Subra Suresh, emerytowany profesor Vannevar Bush i były dziekan inżynierii na MIT i obecny prezydent Nanyang Technological University w Singapurze.

zaakceptuje przymusową obniżkę płac, na podstawie wcześniejszej pracy w MIT, w niektórych układach procesorów krzemowych wprowadzono pewien stopień elastycznego odkształcenia. Nawet 1 procentowa zmiana struktury może w niektórych przypadkach poprawić szybkość działania urządzenia o 50 procent, pozwalając elektronom szybciej poruszać się w materiale.

Najnowsze badania przeprowadzone przez Suresh, Dao, i Yang Lu, były stażysta MIT teraz na City University of Hong Kong, pokazał, że nawet diament, najmocniejszy i najtwardszy materiał występujący w naturze, można rozciągać elastycznie nawet o 9 procent bez awarii, gdy występuje w postaci igły o rozmiarach nanometrowych. Li i Yang podobnie wykazali, że druty krzemowe w nanoskali można rozciągać czysto elastycznie o więcej niż 15 procent. Odkrycia te otworzyły nowe drogi do zbadania, w jaki sposób można wytwarzać urządzenia z jeszcze bardziej dramatycznymi zmianami właściwości materiałów.

Szczep na zamówienie

W przeciwieństwie do innych sposobów zmiany właściwości materiału, takich jak doping chemiczny, które wytwarzają trwały, zmiana statyczna, inżynieria naprężeń umożliwia zmianę właściwości w locie. „Odkształcenie to coś, co można włączać i wyłączać dynamicznie,” Li mówi.

Jednak potencjał materiałów wytwarzanych metodą odkształcenia został utrudniony przez zniechęcający zakres możliwości. Szczep można nakładać na sześć różnych sposobów (w trzech różnych wymiarach, każdy z nich może powodować naprężenie do wewnątrz i na zewnątrz lub na boki), i z prawie nieskończonymi stopniami stopni, więc pełny zakres możliwości jest niepraktyczny do zbadania po prostu metodą prób i błędów. „Szybko rośnie do 100 milion obliczeń, jeśli chcemy odwzorować całą przestrzeń odkształceń sprężystych,” Li mówi.

Właśnie tam na ratunek przychodzi nowatorskie zastosowanie metod uczenia maszynowego tego zespołu, zapewnienie systematycznego sposobu eksploracji możliwości i nakierowania na odpowiednią ilość i kierunek odkształcenia w celu uzyskania określonego zestawu właściwości dla określonego celu. „Teraz mamy tę bardzo dokładną metodę”, która drastycznie zmniejsza złożoność potrzebnych obliczeń, Li mówi.

„Ta praca jest ilustracją tego, jak ostatnie postępy w pozornie odległych dziedzinach, takich jak fizyka materiałowa, System powstał we współpracy z University of Cambridge Language Technology Lab, przetwarzanie danych, a uczenie maszynowe można połączyć, aby rozwijać wiedzę naukową, która ma silne implikacje dla zastosowań przemysłowych,” Suresh mówi.

Nowa metoda, naukowcy mówią, może otworzyć możliwości tworzenia materiałów dopasowanych precyzyjnie do elektroniki, optoelektroniczny, i urządzenia fotoniczne, które mogłyby znaleźć zastosowanie w komunikacji, przetwarzanie informacji, i zastosowania energetyczne.

W przypadku niewielkiego naprężenia materiału krystalicznego, takiego jak krzem, jego właściwości mogą się diametralnie zmienić; na przykład, może przejść od blokowania prądu elektrycznego do swobodnego przewodzenia go jak metal. Kredyt: Frank Shi

Zespół zbadał wpływ napięcia na pasmo wzbronione, kluczowa elektroniczna właściwość półprzewodników, zarówno w krzemie, jak i w diamencie. Korzystanie z ich algorytmu sieci neuronowych, byli w stanie przewidzieć z dużą dokładnością, jak różne ilości i orientacje odkształcenia wpłyną na pasmo zabronione.

„Dostrajanie” pasma wzbronionego może być kluczowym narzędziem do poprawy wydajności urządzenia, takie jak krzemowe ogniwo słoneczne, dostosowując go bardziej precyzyjnie do rodzaju źródła energii, które ma wykorzystać. Dostrajając pasmo wzbronione, na przykład, możliwe jest wykonanie krzemowego ogniwa słonecznego, które jest tak samo skuteczne w przechwytywaniu światła słonecznego jak jego odpowiedniki, ale ma tylko jedną tysięczną grubość. rośliny rosnące na stacji kosmicznej rosną długie i cienkie, materiał „może nawet zmienić się z półprzewodnika w metal”, i to miałoby wiele zastosowań, jeśli jest to wykonalne w produkcie masowo produkowanym,” Li mówi.

Chociaż w niektórych przypadkach możliwe jest wywołanie podobnych zmian innymi sposobami, takie jak umieszczenie materiału w silnym polu elektrycznym lub jego chemiczna zmiana, zmiany te mają zwykle wiele skutków ubocznych na zachowanie materiału, podczas gdy zmiana odmiany ma mniej takich skutków ubocznych. Na przykład, Li wyjaśnia, pole elektrostatyczne często zakłóca działanie urządzenia, ponieważ wpływa na sposób, w jaki przepływa przez nie prąd. Zmiana odkształcenia nie powoduje takich zakłóceń.

Potencjał diamentu

Diament ma ogromny potencjał jako materiał półprzewodnikowy, choć wciąż jest w powijakach w porównaniu z technologią krzemową. „To ekstremalny materiał, o dużej mobilności przewoźnika,” Li mówi, odnosząc się do sposobu, w jaki ujemne i dodatnie nośniki prądu elektrycznego poruszają się swobodnie przez diament. Z tego powodu, diament może być idealny do niektórych rodzajów urządzeń elektronicznych wysokiej częstotliwości i energoelektroniki.

Pod pewnymi miarami, Li mówi, diament może potencjalnie działać 100,000 razy lepsze niż krzem. Ale ma też inne ograniczenia, w tym fakt, że nikt jeszcze nie wymyślił dobrego i skalowalnego sposobu na umieszczenie warstw diamentowych na dużym podłożu. Materiał jest również trudny do „dope”,” lub wprowadzić inne atomy do, kluczowa część produkcji półprzewodników.

Montując materiał w ramie, którą można regulować, aby zmienić wielkość i orientację naprężenia, Dao mówi, „możemy mieć znaczną elastyczność” w zmianie zachowania domieszek.

Podczas gdy badanie to koncentrowało się w szczególności na wpływie obciążenia na przerwę energetyczną materiałów, „metoda daje się uogólnić” na inne aspekty, które wpływają nie tylko na właściwości elektroniczne, ale także na inne właściwości, takie jak zachowanie fotoniczne i magnetyczne, Li mówi. Skorzystaj z poniższych instrukcji, jeśli używasz MacOS X 1 procentowe odkształcenie obecnie stosowane w komercyjnych chipach, wiele nowych aplikacji otwiera się teraz, gdy ten zespół wykazał, że szczepy prawie 10 procent jest możliwy bez pękania. „Kiedy osiągniesz więcej niż 7 procent naprężenia, naprawdę dużo zmieniasz w materiale,lata są warte około.

„Ta nowa metoda może potencjalnie doprowadzić do zaprojektowania bezprecedensowych właściwości materiału,” Li mówi. „Potrzebne będą jednak znacznie dalsze prace, aby dowiedzieć się, jak nałożyć obciążenie i jak zwiększyć skalę procesu, aby to zrobić 100 milion tranzystorów na chipie [i upewnij się, że] żaden z nich nie może zawieść”.

„Ta innowacyjna nowa praca wykazuje potencjał znacznego przyspieszenia inżynierii egzotycznych właściwości elektronicznych w zwykłych materiałach poprzez duże odkształcenia elastyczne”.,” mówi Evan Reed, profesor nadzwyczajny inżynierii materiałowej i inżynierii materiałowej na Uniwersytecie Stanforda, kto nie był zaangażowany w te badania. „Rzuca światło na możliwości i ograniczenia, jakie natura przedstawia dla takiej inżynierii odkształceń”, i zainteresuje szerokie spektrum badaczy pracujących nad ważnymi technologiami”.

Źródło: http://news.mit.edu, autorstwa Davida L. Kupiec