ШІ-алгоритм забезпечує кращий спосіб пошуку та створення нанопористих матеріалів
Колись нанопористі матеріали зможуть вирішувати деякі з найсерйозніших проблем суспільства — від поглинання вуглекислого газу або метану з повітря до зберігання газоподібного водню як палива та виявлення токсичних сполук у повітрі.
Завдяки крихітним порам нанометрового розміру ці матеріали корисні для багатьох застосувань, пов'язаних зі сталим розвитком, але оскільки їх створюють хіміки в лабораторіях, молекула за молекулою, їх розробка є громіздкою і дорогою.
Група дослідників з Університету штату Вашингтон та Університету штату Орегон розробила унікальний комп'ютерний алгоритм, який грає в гру з 20 питань, швидко звужуючи тисячі можливих молекулярних конструкцій, щоб знайти оптимальну з мінімальними витратами та зусиллями. Дослідження опубліковано в журналі Molecular Systems Design and Engineering Journal.
«Ключова проблема полягає в тому, що нанопористі матеріали являють собою суміш різних хімічних елементів, які потрібно скласти й знайти найкращу комбінацію. Нанопористі матеріали мають величезне різноманіття потенційних молекулярних будівельних блоків і структур, які можна майже нескінченно змішувати. Якби ми щоразу випробовували нові конфігурації цих елементів і їхніх структур у лабораторії, це було б дуже дорого, тому обчислювальне завдання полягає в тому, як визначити правильну комбінацію елементів, що мають потрібні вам властивості. Саме тут і знадобиться наша алгоритмічна робота на основі ШІ»
У рамках дослідження, що підтверджує концепцію, вчені обрали найкращого кандидата серед нанопористих матеріалів для поглинання метану — потужного парникового газу, що сприяє глобальному потеплінню. Оцінивши лише 120 можливих кандидатів, вони знайшли вже відомого найкращого кандидата з бібліотеки з 70 000 матеріалів, причому значно краще, ніж виходить у традиційних алгоритмів.
«Нанопористі матеріали (НПМ) можна використовувати для зберігання, уловлювання та виявлення багатьох різних газів. Враховуючи завдання адсорбції, ми часто хочемо знайти в бібліотеці той, що має оптимальні адсорбційні властивості. Висока вартість синтезу НПМ і вимірювань адсорбції газу, незалежно від того, проводяться ці експерименти в лабораторії чи при моделюванні, часто перешкоджає вичерпному пошуку», — йдеться в дослідженні.
Один з авторів дослідження та доцент Школи електротехніки й інформатики Яна Допп заявила: «Алгоритми Аріан дозволяють знаходити кращий матеріал з меншою кількістю оцінок». Одна з причин, чому алгоритм добре працює, полягає в тому, що він враховує тривимірні структури матеріалу.
«Ми намагаємося зробити пошук трохи розумнішим, тоді як існуючі методи, які використовуються, не намагалися використовувати моделі взаємозв'язку між структурою матеріалу та його властивостями. Ми явно будуємо статистичні моделі, які дозволили нам прогнозувати властивості невідомих матеріалів і мати добре відкалібровану невизначеність, а це означає, що ви знаєте те, чого не знаєте, тож коли ми досліджували простір, ми робили це набагато розумнішим способом, а не навмання»
Оскільки їхній алгоритм з'являвся на кожній новій ітерації матеріалу, він віртуально проводив експеримент, оновлював своє розуміння структури та взаємозв'язку властивостей, а потім на цій основі обирав інший нанопористий матеріал.
Тепер дослідники прагнуть ще більше автоматизувати та узагальнити методологію. Вони вже досягли фундаментального прогресу в цій меті в новому документі, який буде представлено на Конференції 2021 року з систем обробки нейронної інформації (NeurIPS). Вчені сподіваються використовувати унікальні алгоритми для покращення пошуку в інших типах реальних застосувань, наприклад, при розробці каталізаторів, що використовуються в промислових процесах.
Нанопористий матеріал — це матеріал, що містить пори, розміри яких лежать у нанодіапазоні (~1-100 нм). Термін вживається, щоб вказати, що специфічні властивості матеріалу (сенсорні, адсорбційні, каталітичні, дифузійні та інші) пов'язані з наявністю нанопор. До таких матеріалів можна віднести більшість відомих мембран, сорбентів і каталізаторів.
Існує безліч природних нанопористих матеріалів, але їх також можна виготовити штучно. Для цього потрібно об'єднати полімери з різними температурами плавлення, так що при нагріванні один полімер розкладається. Пористий матеріал з порами однакового розміру має властивість пропускати лише одні речовини, блокуючи при цьому інші.
Нанопористі матеріали застосовують у протигазах, системах автономного життєзабезпечення на підводних човнах і обитаємих космічних станціях. Їх можна використовувати у фільтрах для тонкого очищення повітря та води від забруднень (зокрема від хімічних і бактеріологічних отруйних речовин). Для ефективної роботи матеріалу важливо перевищити перколяційний поріг, за яким не пов'язані між собою пори та канали починають утворювати наскрізні проходи для пропускання текучого середовища.
