Usando inteligência artificial para projetar as propriedades dos materiais

Novo sistema de "engenharia de deformação" pode mudar a óptica de um material, elétrico, e propriedades térmicas. Aplicar apenas um pouco de tensão em um pedaço de semicondutor ou outro material cristalino pode deformar o arranjo ordenado dos átomos em sua estrutura o suficiente para causar mudanças dramáticas em suas propriedades, como a forma como conduz eletricidade, transmite luz, ou conduz calor.

Agora, uma equipe de pesquisadores do MIT e na Rússia e Cingapura encontrou maneiras de usar inteligência artificial para ajudar a prever e controlar essas mudanças, potencialmente abrindo novos caminhos de pesquisa em materiais avançados para futuros dispositivos de alta tecnologia.

Os resultados aparecem esta semana no Proceedings of the National Academy of Sciences, em um artigo de autoria do professor de ciência nuclear e engenharia do MIT e de ciência de materiais e engenharia Ju Li, Ming Dao, cientista-chefe de pesquisa do MIT, e o estudante de pós-graduação do MIT Zhe Shi, com Evgeni Tsymbalov e Alexander Shapeev no Instituto Skolkovo de Ciência e Tecnologia na Rússia, e Subra Suresh, o professor emérito de Vannevar Bush e ex-reitor de engenharia do MIT e atual presidente da Universidade Tecnológica de Nanyang em Cingapura.

Já, com base em trabalho anterior no MIT, algum grau de tensão elástica foi incorporado em alguns chips de processador de silício. Mesmo um 1 mudança percentual na estrutura pode, em alguns casos, melhorar a velocidade do dispositivo por 50 por cento, permitindo que os elétrons se movam através do material mais rápido.

Pesquisa recente de Suresh, Dao, e Yang Lu, um ex-pós-doutorado do MIT agora na City University of Hong Kong, mostrou que mesmo diamante, o material mais forte e duro encontrado na natureza, pode ser elasticamente esticado em tanto quanto 9 por cento sem falha quando está na forma de agulhas nanométricas. Li e Yang demonstraram de forma semelhante que fios de silício em nanoescala podem ser esticados de forma puramente elástica em mais de 15 por cento. Essas descobertas abriram novos caminhos para explorar como os dispositivos podem ser fabricados com mudanças ainda mais dramáticas nas propriedades dos materiais.

Tira feita sob encomenda

Ao contrário de outras maneiras de alterar as propriedades de um material, como dopagem química, que produzem um permanente, mudança estática, engenharia de deformação permite que as propriedades sejam alteradas em tempo real. “Strain é algo que você pode ligar e desligar dinamicamente,”Li diz.

Mas o potencial dos materiais de engenharia de deformação foi prejudicado pela gama assustadora de possibilidades. A tensão pode ser aplicada em qualquer uma das seis maneiras diferentes (em três dimensões diferentes, cada um dos quais pode produzir tensão dentro e fora ou lateralmente), e com gradações de grau quase infinitas, portanto, é impraticável explorar toda a gama de possibilidades simplesmente por tentativa e erro. “Ele cresce rapidamente para 100 milhões de cálculos se quisermos mapear todo o espaço de deformação elástica,”Li diz.

É aí que a nova aplicação de métodos de aprendizado de máquina desta equipe vem para o resgate, fornecer uma maneira sistemática de explorar as possibilidades e se concentrar na quantidade e direção de deformação apropriadas para atingir um determinado conjunto de propriedades para um propósito específico. “Agora temos este método de altíssima precisão” que reduz drasticamente a complexidade dos cálculos necessários, Li diz.

“Este trabalho é uma ilustração de como os avanços recentes em campos aparentemente distantes, como a física material, inteligência artificial, Informática, e o aprendizado de máquina podem ser reunidos para promover o conhecimento científico que tem fortes implicações para a aplicação da indústria,”Suresh diz.

O novo método, dizem os pesquisadores, poderia abrir possibilidades para a criação de materiais ajustados precisamente para eletrônicos, optoeletrônico, e dispositivos fotônicos que podem encontrar usos para comunicações, processando informação, e aplicações de energia.

Quando uma pequena quantidade de tensão é aplicada a um material cristalino como o silício, suas propriedades podem mudar dramaticamente; por exemplo, pode mudar do bloqueio da corrente elétrica para conduzi-la livremente como um metal. Crédito: Frank Shi

A equipe estudou os efeitos da tensão no bandgap, uma propriedade eletrônica chave de semicondutores, em silício e diamante. Usando seu algoritmo de rede neural, eles foram capazes de prever com alta precisão como diferentes quantidades e orientações de tensão afetariam o bandgap.

O “ajuste” de um bandgap pode ser uma ferramenta fundamental para melhorar a eficiência de um dispositivo, como uma célula solar de silício, fazendo com que corresponda mais precisamente ao tipo de fonte de energia que foi projetado para aproveitar. Ajustando seu bandgap, por exemplo, pode ser possível fazer uma célula solar de silício que seja tão eficaz na captura da luz solar quanto suas contrapartes, mas com apenas um milésimo da espessura. Em teoria, o material "pode ​​até mudar de um semicondutor para um metal, e isso teria muitas aplicações, se isso é possível em um produto produzido em massa,”Li diz.

Embora seja possível, em alguns casos, induzir mudanças semelhantes por outros meios, como colocar o material em um campo elétrico forte ou alterá-lo quimicamente, essas mudanças tendem a ter muitos efeitos colaterais no comportamento do material, enquanto a mudança da cepa tem menos efeitos colaterais. Por exemplo, Li explica, um campo eletrostático frequentemente interfere na operação do dispositivo porque afeta a forma como a eletricidade flui através dele. Mudar a tensão não produz tal interferência.

Potencial do diamante

O diamante tem um grande potencial como material semicondutor, embora ele ainda está em sua infância em comparação com a tecnologia de silício. “É um material de extrema, com mobilidade do portador de alta,”Li diz, referindo-se a maneira portadores negativos e positivos do movimento corrente eléctrica livremente através de diamante. Por causa disso, diamante poderia ser ideal para alguns tipos de dispositivos eletrônicos de alta freqüência e da electrónica de potência.

Por algumas medidas, Li diz, diamante poderia potencialmente executar 100,000 vezes melhor do que o silício. Mas tem outras limitações, incluindo o fato de que ninguém ainda descobriu uma maneira boa e escalável de colocar camadas de diamante em um substrato grande. O material também é difícil de “dopar,”Ou introduzir outros átomos em, uma parte fundamental da fabricação de semicondutores.

Ao montar o material em uma estrutura que pode ser ajustada para alterar a quantidade e a orientação da deformação, Dao diz, “Podemos ter uma flexibilidade considerável” na alteração de seu comportamento dopante.

Considerando que este estudo se concentrou especificamente nos efeitos da tensão sobre o bandgap dos materiais, “O método é generalizável” para outros aspectos, que afetam não apenas as propriedades eletrônicas, mas também outras propriedades, como o comportamento fotônico e magnético, Li diz. De 1 porcentagem de tensão agora sendo usada em chips comerciais, muitos novos aplicativos se abrem agora que esta equipe mostrou que cepas de quase 10 por cento são possíveis sem fratura. “Quando você chega a mais de 7 por cento de tensão, você realmente muda muito no material," ele diz.

“Este novo método pode potencialmente levar ao projeto de propriedades de materiais sem precedentes,”Li diz. “Mas será necessário muito trabalho adicional para descobrir como impor a tensão e como escalar o processo para fazê-lo 100 milhões de transistores em um chip [e garantir que] nenhum deles pode falhar. ”

“Este novo trabalho inovador demonstra potencial para acelerar significativamente a engenharia de propriedades eletrônicas exóticas em materiais comuns por meio de grandes deformações elásticas,”Diz Evan Reed, professor associado de ciência e engenharia de materiais na Universidade de Stanford, que não estava envolvido na pesquisa. “Ele lança luz sobre as oportunidades e limitações que a natureza apresenta para tal engenharia, e será do interesse de um amplo espectro de pesquisadores que trabalham em tecnologias importantes. ”

Fonte: http://news.mit.edu, por David L. merceeiro