ИИ-алгоритм обеспечивает лучший способ поиска и создания нанопористых материалов
Когда-нибудь нанопористые материалы смогут решить некоторые из самых серьезных проблем общества — от поглощения углекислого газа или метана из воздуха до хранения газообразного водорода в качестве топлива и определения токсичных соединений в воздухе.
Благодаря крошечным порам нанометрового размера эти материалы полезны для многих применений, связанных с устойчивым развитием, но поскольку они создаются химиками в лабораториях, молекула за молекулой, их разработка громоздка и дорого стоит.
Группа исследователей из Университета штата Вашингтон и Университета штата Орегон разработала уникальный компьютерный алгоритм, который играет в игру из 20 вопросов, быстро сужая тысячи возможных молекулярных конструкций, чтобы найти оптимальную с минимальными затратами и усилиями. Исследование опубликовано в журнале Molecular Systems Design and Engineering Journal.
«Ключевой проблемой является то, что нанопористые материалы представляют собой смесь различных химических элементов, которые необходимо составить и найти наилучшую комбинацию. Нанопористые материалы обладают огромным разнообразием потенциальных молекулярных строительных блоков и структур, которые можно почти бесконечно смешивать. Если бы мы каждый раз испытывали новые конфигурации этих элементов и их структур в лаборатории, это было бы очень дорого, поэтому вычислительная задача состоит в том, как определить правильную комбинацию элементов, обладающих интересующими вас свойствами. Вот тут-то и пригодится наша алгоритмическая работа на основе ИИ»
В рамках исследования, подтверждающего концепцию, ученые выбрали лучшего кандидата из нанопористых материалов для поглощения метана — мощного парникового газа, который способствует глобальному потеплению. Оценив всего 120 возможных кандидатов, они нашли уже известного лучшего кандидата из библиотеки из 70 000 материалов, причем значительно лучше, чем получается у традиционных алгоритмов.
«Нанопористые материалы (НПМ) можно использовать для хранения, улавливания и определения множества различных газов. Учитывая задачу адсорбции, мы часто хотим найти в библиотеке тот, который имеет оптимальные адсорбционные свойства. Высокая стоимость синтеза НПМ и измерений адсорбции газа, независимо от того, проводятся ли эти эксперименты в лаборатории или при моделировании, часто препятствует исчерпывающему поиску», — говорится в исследовании.
Один из авторов исследования и доцент Школы электротехники и информатики Яна Доппа заявила: «Алгоритмы Aryan позволяют находить лучший материал с меньшим количеством оценок». Одна из причин, по которой алгоритм работает хорошо, заключается в том, что он учитывает трехмерные структуры материала.
«Мы пытаемся сделать несколько более умный поиск, а существующие методы, которые используются, не пытались использовать модели взаимосвязи между структурой материала и его свойствами. Мы явно строим статистические модели, которые позволили нам прогнозировать свойства неизвестных материалов и иметь хорошо откалиброванную неопределенность, что означает, что вы знаете то, чего не знаете, поэтому, когда мы исследовали пространство, мы исследовали его гораздо более разумным способом, а не случайно»
Поскольку их алгоритм появлялся на каждой новой итерации материала, он виртуально проводил эксперимент, обновлял свое понимание структуры и взаимосвязи свойств, а затем на основе этого выбирал другой нанопористый материал.
Теперь исследователи стремятся еще больше автоматизировать и обобщить методологию. Они уже добились фундаментального прогресса в достижении этой цели в новом документе, который будет представлен на Конференции 2021 года по системам обработки нейронной информации (NeurIPS). Ученые надеются использовать уникальные алгоритмы для улучшения поиска в других типах реальных применений, например, при разработке катализаторов, используемых в промышленных процессах.
Напористый материал — это материал, содержащий поры, размеры которых находятся в нанодиапазоне (~1-100 нм). Термин употребляется, чтобы указывать, что специфические свойства материала (сенсорные, адсорбционные, каталитические, диффузионные и другие) связаны с наличием нанопор. К таким материалам можно отнести большинство известных мембран, сорбентов и катализаторов.
Существует множество природных нанопористых материалов, но их также можно изготовить искусственным способом. Для этого нужно объединить полимеры с разными температурами плавления, так что при нагревании один полимер разлагается. Напористый материал с порами одинакового размера обладает свойством пропускать только одни вещества, блокируя при этом другие.
Нанопористые материалы применяются в противогазах, системах автономного жизнеобеспечения на подводных лодках и обитаемых космических станциях. Они могут использоваться в фильтрах для тонкой очистки воздуха и воды от загрязнений (в частности от химических и бактериологических отравляющих веществ). Для эффективной работы материала важно превзойти перколяционный предел, за которым не связанные между собой поры и каналы начинают образовывать сквозные проходы для пропускания текучей среды.
