Utilizarea inteligenței artificiale pentru a proiecta proprietățile materialelor

Noul sistem de „ingineria deformarii” poate schimba optica unui material, electric, si proprietati termice. Aplicarea unei mici tensiuni la o bucată de semiconductor sau alt material cristalin poate deforma aranjamentul ordonat al atomilor în structura sa suficient de mult pentru a provoca schimbări dramatice în proprietățile sale., cum ar fi modul în care conduce electricitatea, transmite lumina, sau conduce căldura.

Acum, o echipă de cercetători de la MIT și din Rusia și Singapore a găsit modalități de a folosi inteligența artificială pentru a ajuta la prezicerea și controlul acestor schimbări, deschiderea posibilă a unor noi căi de cercetare privind materialele avansate pentru viitoarele dispozitive de înaltă tehnologie.

Concluziile apar săptămâna aceasta în Proceedings of the National Academy of Sciences, într-o lucrare scrisă de profesorul MIT de știință și inginerie nucleară și de știința și ingineria materialelor Ju Li, Cercetătorul principal al MIT Ming Dao, și studentul absolvent al MIT Zhe Shi, cu Evgeni Tsymbalov și Alexander Shapeev la Institutul de Știință și Tehnologie Skolkovo din Rusia, și Subra Suresh, profesor emerit Vannevar Bush și fost decan de inginerie la MIT și actual președinte al Universității Tehnologice Nanyang din Singapore.

Deja, pe baza lucrărilor anterioare la MIT, un anumit grad de tensiune elastică a fost încorporat în unele cipuri de procesor de siliciu. Chiar și a 1 modificarea procentuală a structurii poate îmbunătăți în unele cazuri viteza dispozitivului prin 50 la sută, permițând electronilor să se deplaseze mai repede prin material.

Cercetare recentă a lui Suresh, Dao, și Yang Lu, un fost post-doctorat MIT, acum la Universitatea City din Hong Kong, a arătat că chiar și diamantul, cel mai puternic și mai dur material găsit în natură, poate fi întins elastic cu cât 9 la sută fără eșec când este sub formă de ace de mărime nanometrică. Li și Yang au demonstrat în mod similar că firele de siliciu la scară nanometrică pot fi întinse pur elastic cu mai mult de 15 la sută. Aceste descoperiri au deschis noi căi pentru a explora modul în care dispozitivele pot fi fabricate cu modificări și mai dramatice ale proprietăților materialelor..

Tulpina facuta la comanda

Spre deosebire de alte moduri de modificare a proprietăților unui material, precum dopajul chimic, care produc un permanent, schimbare statică, ingineria tulpinilor permite ca proprietățile să fie schimbate din mers. „Tulpina este ceva pe care îl poți activa și dezactiva dinamic,” spune Li.

Dar potențialul materialelor prelucrate prin inginerie prin deformare a fost împiedicat de gama descurajantă de posibilități. Tulpina poate fi aplicată în oricare dintre șase moduri diferite (în trei dimensiuni diferite, fiecare dintre ele poate produce tensiune în interior sau în exterior sau lateral), și cu gradații aproape infinite de grad, astfel încât întreaga gamă de posibilități este imposibil de explorat pur și simplu prin încercare și eroare. „Crește repede la 100 milioane de calcule dacă vrem să cartografiam întregul spațiu de deformare elastică,” spune Li.

Acolo vine în ajutor noua aplicare a metodelor de învățare automată a acestei echipe, oferind o modalitate sistematică de explorare a posibilităților și de a se concentra asupra cantității și direcției adecvate de efort pentru a atinge un anumit set de proprietăți pentru un anumit scop. „Acum avem această metodă de foarte mare precizie” care reduce drastic complexitatea calculelor necesare, spune Li.

„Această lucrare este o ilustrare a modului în care progresele recente în domenii aparent îndepărtate, cum ar fi fizica materialelor, Sistemul a fost dezvoltat în colaborare cu University of Cambridge Language Technology Lab, tehnica de calcul, iar învățarea automată poate fi reunită pentru a avansa cunoștințele științifice care au implicații puternice pentru aplicarea în industrie,” spune Suresh.

Noua metodă, spun cercetătorii, ar putea deschide posibilități pentru crearea de materiale adaptate exact pentru electronice, optoelectronice, și dispozitive fotonice care ar putea găsi utilizări pentru comunicații, procesarea informatiei, și aplicații energetice.

Când se aplică o cantitate mică de tensiune pe un material cristalin precum siliciul, proprietățile sale se pot schimba dramatic; de exemplu, poate trece de la blocarea curentului electric la conducerea liberă ca un metal. Credit: Frank Shi

Echipa a studiat efectele tensiunii asupra bandgap-ului, o proprietate electronică cheie a semiconductorilor, atât în ​​silicon, cât și în diamant. Folosind algoritmul rețelei neuronale, au reușit să prezică cu mare precizie modul în care diferitele cantități și orientări ale tensiunii ar afecta bandgap-ul.

„Reglarea” unui bandgap poate fi un instrument cheie pentru îmbunătățirea eficienței unui dispozitiv, cum ar fi o celulă solară cu siliciu, făcându-l să se potrivească mai precis cu tipul de sursă de energie pe care este proiectat să o utilizeze. Prin reglarea fină a intervalului de bandă, de exemplu, este posibil să se realizeze o celulă solară din siliciu care este la fel de eficientă în captarea luminii solare ca și omologii săi, dar care are doar o miime mai grosime. Teoretic, materialul „se poate schimba chiar dintr-un semiconductor într-un metal, și asta ar avea multe aplicații, dacă acest lucru este realizabil într-un produs produs în masă,” spune Li.

Deși în unele cazuri este posibil să induceți schimbări similare prin alte mijloace, cum ar fi punerea materialului într-un câmp electric puternic sau modificarea chimică a acestuia, aceste modificări tind să aibă multe efecte secundare asupra comportamentului materialului, în timp ce schimbarea tulpinii are mai puține astfel de efecte secundare. De exemplu, explică Li, un câmp electrostatic interferează adesea cu funcționarea dispozitivului, deoarece afectează modul în care electricitatea circulă prin el. Schimbarea tulpinii nu produce o astfel de interferență.

Potențialul diamantului

Diamantul are un mare potențial ca material semiconductor, deși este încă la început în comparație cu tehnologia cu siliciu. „Este un material extrem, cu mobilitate mare a transportatorului,” spune Li, referindu-se la modul în care purtătorii negativi și pozitivi de curent electric se deplasează liber prin diamant. Pentru ca, diamantul ar putea fi ideal pentru anumite tipuri de dispozitive electronice de înaltă frecvență și pentru electronice de putere.

Prin unele măsuri, spune Li, diamantul ar putea funcționa 100,000 ori mai bine decât siliciul. Dar are alte limitări, inclusiv faptul că nimeni nu a descoperit încă o modalitate bună și scalabilă de a pune straturi de diamante pe un substrat mare. Materialul este și greu de „dopat,” sau introduceți alți atomi în, o parte cheie a producției de semiconductori.

Prin montarea materialului într-un cadru care poate fi ajustat pentru a modifica cantitatea și orientarea încordării, spune Dao, „putem avea o flexibilitate considerabilă” în modificarea comportamentului său de dopant.

În timp ce acest studiu s-a concentrat în mod special pe efectele deformarii asupra intervalului de bandă a materialelor, „metoda este generalizabilă” la alte aspecte, care afectează nu numai proprietățile electronice, ci și alte proprietăți precum comportamentul fotonic și magnetic, spune Li. De la 1 tulpină procentuală utilizată acum în chips-uri comerciale, multe aplicații noi se deschid acum că această echipă a demonstrat că tulpini de aproape 10 procente sunt posibile fără fracturare. „Când ajungi la mai mult de 7 tulpina la sută, chiar schimbi foarte mult în material,după care vor primi feedback despre trăsături de la cercetători - despre care Revelle spune că poate fi chiar mai util decât cunoașterea tipului dvs. de personalitate.

„Această nouă metodă ar putea duce la proiectarea unor proprietăți materiale fără precedent,” spune Li. „Dar va fi nevoie de multă muncă suplimentară pentru a ne da seama cum să impuneți solicitarea și cum să extindeți procesul pentru a face acest lucru. 100 milioane de tranzistori pe un cip [și asigurați-vă că] niciunul dintre ei nu poate eșua.”

„Această nouă lucrare inovatoare demonstrează potențialul de a accelera semnificativ ingineria proprietăților electronice exotice în materialele obișnuite prin intermediul unor tensiuni elastice mari.,” spune Evan Reed, profesor asociat de știința materialelor și inginerie la Universitatea Stanford, care nu a fost implicat în această cercetare. „Aruncă lumină asupra oportunităților și limitărilor pe care natura le prezintă pentru o astfel de inginerie a tulpinilor, și va fi de interes pentru un spectru larg de cercetători care lucrează la tehnologii importante.”

Sursă: http://stiri.mit.edu, de David L. Chandler