Недавно новая автономная лаборатория проанализировала миллиарды потенциальных рецептов синтеза материалов и всего за 12 часов определила наиболее яркие светоизлучающие наноматериалы без содержания свинца. Эта работа может ускорить разработку более безопасных светоизлучающих нанопластинок для применения в самых разных областях — от фотодетекторов до производства топлива из солнечной энергии. Статья, описывающая эту работу, опубликована в Nature Communications.

Нанопластинки — это пластинчатые кристаллы толщиной в миллиардные доли метра. В данном случае они относятся к семейству не содержащих свинец «двойных перовскитов» — материалов, состав которых можно менять, чтобы контролировать поглощение и излучение света.

«Одна из самых сложных задач при разработке более безопасных оптических наноматериалов — это масштабность», — говорит Милад Аболхасани, профессор компании Alcoa и научный сотрудник факультета химической и биомолекулярной инженерии Университета штата Северная Каролина. Аболхасани — автор исследования, с которым мы связались.

«Эти материалы сложны с химической точки зрения, и процесс их синтеза непрост, — говорит Аболхасани. — Существует огромное количество возможных комбинаций ингредиентов, их соотношений, температур и условий реакции, которые необходимо изучить, чтобы синтезировать светоизлучающие нанопластинки с нужными оптическими свойствами. Традиционный метод проб и ошибок требует много времени и может привести к тому, что важные взаимосвязи между параметрами реакции останутся незамеченными».

На поиск нескольких перспективных материалов традиционными методами, основанными на участии человека, могут уйти годы. Лаборатория под управлением искусственного интеллекта, получившая название PoLARIS (Perovskite Laboratory for Autonomous Reaction Inference and Synthesis — «Перовскитная лаборатория для автономного анализа и синтеза реакций»), не только гораздо быстрее синтезирует более безопасные оптические нанопластинки, но и анализирует их оптические свойства, а затем корректирует параметры для следующего этапа экспериментов.

Исследователи выбирают исходные материалы и ставят перед собой задачу — в данном случае получить «более безопасные» двойные нанопластинки перовскита без свинца и тяжелых металлов с максимально яркой фотолюминесценцией.

Затем PoLARIS проводит серию экспериментов с использованием различных «рецептов», в которых варьируются такие параметры, как количество исходных материалов, температура и время реакции. В результате каждого эксперимента получается крошечная подвижная капля, которая служит миниатюрным реакционным сосудом и автоматически анализируется. Результаты анализа передаются в систему искусственного интеллекта, которая корректирует рецепт синтеза нанопластинок для следующего этапа экспериментов.

За одну 12-часовую кампанию PoLARIS провела 120 экспериментов, повысила яркость и определила наиболее безопасные оптические нанопластинки.

«Самое интересное в PoLARIS то, что он не просто ускоряет процесс проб и ошибок, — говорит Аболхасани. — Он анализирует каждый эксперимент и составляет карту того, как химические свойства, состав и температура влияют на характеристики материала. Это значит, что мы можем быстрее находить перспективные материалы, использовать меньше материалов и понимать, почему работают те или иные рецепты.

Многие системы, управляемые искусственным интеллектом, могут помочь найти ответ, но научная ценность резко возрастает, когда система может еще и объяснить, почему найден ответ». PoLARIS не только нашла более эффективный рецепт, но и помогла нам понять, почему этот рецепт сработал."

Исследователи добавляют, что PoLARIS можно масштабировать: она не только может создавать лучшие в своем классе двойные перовскитные нанопластинки, но и переключаться между режимами для непрерывного производства оптимизированного материала.

«Прелесть PoLARIS в том, что это одновременно и GPS для поиска материалов, и миниатюрная фабрика по производству материалов», — говорит Аболхасани. «Он может исследовать химический ландшафт, найти перспективный путь, объяснить, почему этот путь эффективен, а затем продолжить производство материала. Именно такое сотрудничество человека, искусственного интеллекта и робота необходимо для ускорения разработки материалов следующего поколения».

«Более масштабная цель состоит в том, чтобы сделать автономные исследования более универсальными, — продолжает Аболхасани. — Многие материалы, которые нам нужны для энергетики будущего, электроники и технологий устойчивого развития, слишком сложны, чтобы оптимизировать их только на основе интуиции». Автономные лаборатории, такие как PoLARIS, позволяют нам исследовать эти пространства быстрее, эффективнее и с более глубоким научным пониманием.