Ένας νέος τρόπος ελέγχου του φωτός για ταχύτερους υπολογιστές του μέλλοντος

Οι επιστήμονες έχουν δημιουργήσει ένα νέο τύπο μεταϋλικού που μπορεί να προσφέρει ολοκληρωμένη λειτουργία φραγής φωτός για φωτονική υπολογιστική.

Ένα μεταϋλικό είναι ένα μηχανικά σχεδιασμένο υλικό των ιδιοτήτων του δεν προέρχονται από τη χημική σύνθεση των βασικών του στοιχείων, αλλά από την προσεκτικά σχεδιασμένη εσωτερική του δομή. Ως εκ τούτου, αυτά τα υλικά μπορούν να εμφανίζουν ασυνήθιστες ιδιότητες που δεν βρίσκονται σε φυσικά υλικά.

Αυτά τα υλικά συνήθως αποτελούνται από πολλαπλά υλικά, όπως μέταλλα και πλαστικά, και είναι διατεταγμένα σε επαναλαμβανόμενες, υπο-μηκών κυμάτων δομές. Το σχήμα, το μέγεθος, η γεωμετρία, ο προσανατολισμός και η διάταξη τους δίνουν τις ιδιότητές τους, επιτρέποντάς τους να χειρίζονται ηλεκτρομαγνητικά, ακουστικά ή σεισμικά κύματα απορροφώντας, λυγίζοντας, ενισχύοντας ή φράζοντας τα κύματα για να επιτύχουν οφέλη που δεν είναι δυνατόν με συμβατικά υλικά.

Το νέο μεταϋλικό που σχεδιάστηκε¹ από επιστήμονες του Πανεπιστημίου της Νέας Υόρκης συνδυάζει χαρακτηριστικά που είναι τυπικά συνδεδεμένα με υγρά και κρυστάλλους αλλά υπερβαίνουν και τα δύο από αυτά στην ικανότητά του να φράζει το εισερχόμενο φως από όλες τις γωνίες.

Ονομαζόμενα γυρομορφικά, η νέα κατηγορία λειτουργικά συσχετισμένων αταξικών υλικών συγχωνεύει την τυχαιότητα τύπου υγρού με μεγάλης κλίμακας δομικά μοτίβα για να φράζει το φως από κάθε κατεύθυνση. Η μελέτη ανέφερε:

“Δημιουργούμε γυρομορφικά σε 2Δ και 3Δ με μεθόδους φασματικής βελτιστοποίησης, επαληθεύοντας ότι εμφανίζουν ισχυρή διακριτή περιστροφική τάξη αλλά καμία μακροπρόσθετη μεταθετική τάξη, διατηρώντας ταυτόχρονα την περιστροφική ισοτροπία σε μικρή απόσταση για επαρκώς μεγάλα 퐺.”

Με αυτήν την καινοτομία, οι ερευνητές έχουν επιλύσει περιορισμούς σε σχεδιασμούς βασισμένους σε κβασιτέλ που είχαν ενοχλήσει για μεγάλο χρονικό διάστημα τους επιστήμονες. Μπορεί επίσης να βοηθήσει την πρόοδο στην φωτονική υπολογιστική.

Από τα Κβασιτέλ προς τα Γυρομορφικά στην Φωτονική Υπολογιστική

Στη φωτονική υπολογιστική, τα φωτόνια αντί για ηλεκτρικά ρεύματα χρησιμοποιούνται για την εκτέλεση υπολογισμών. Αυτή η νέα γενιά υπολογιστών, όταν πραγματοποιηθεί, μπορεί να είναι πολύ πιο αποδοτική και ταχύτερη από τις παραδοσιακές μηχανές.

Με επεξεργασία δεδομένων με ταχύτητα φωτός, προσφέρει υποσχέσεις για εργασίες υψηλής απόδοσης όπως η τεχνητή νοημοσύνη, αλλά η τεχνολογία αντιμετωπίζει σήμερα προκλήσεις στην ελαχιστοποίηση και το κόστος. 

Οι προόδους στον τομέα οδήγησαν στην ανάπτυξη λειτουργικών φωτονικών τσιπ για ενσωμάτωση σε διακομιστές υψηλής απόδοσης. Αλλά η υπολογιστική με φως βρίσκεται ακόμα σε πρώιμο στάδιο, με ερευνητές να δυσκολεύονται να ελέγξουν μικροσκοπικές ροές φωτός που διασχίζουν ένα τσιπ. 

Προσεκτικά σχεδιασμένα υλικά είναι ό,τι χρειαζόμαστε για να επαναπροσανατολίσουμε αυτά τα μικροσκοπικά οπτικά σήματα χωρίς να μειώσουμε την έντασή τους. Η διατήρηση της ισχύος αυτών των σημάτων απαιτεί ένα ειδικό, ελαφρύ υλικό στο υλισμικό που αποτρέπει το ανεπιθύμητο φως να εισέλθει από οποιαδήποτε κατεύθυνση. 

Ένα κρίσιμο συστατικό για την επίτευξη αυτού είναι η ενσωμάτωση του ισοτροπικού υλικού ζώνης απαγόρευσης. Αυτό το υλικό φράζει το φως ή άλλα κύματα από τη διάδοση σε όλες τις κατευθύνσεις, εφόσον οι συχνότητες βρίσκονται εντός της ζώνης του. Ένα τέτοιο υλικό μπορεί να είναι αταξικό αλλά υπερ-ομοιόμορφο, δηλαδή δεν διαθέτει μακροπρόσθετη μεταθετική τάξη αλλά έχει έναν συγκεκριμένο, ελεγχόμενο τύπο τυχαιότητας.

Κατά την κατασκευή ισοτροπικών υλικών ζώνης απαγόρευσης, οι ερευνητές έχουν εστιάσει πολύ στα κβασιτέλ.

Αυτές οι δομές που ακολουθούν μαθηματικούς κανόνες αλλά δεν επαναλαμβάνονται όπως οι παραδοσιακοί κρύσταλλοι ανακαλύφθηκαν πρώτα από τον επιστήμονα Νταν Σέχτμαν στα αρχές της δεκαετίας του 1980, για τα οποία κέρδισε το Νόμπελ Χημείας το 2011.

Η ανακάλυψη συνέβη ενώ ερευνούσε το αλουμίνιο και το μαγγάνιο. Όταν τα δύο μέταλλα συγκολλήθηκαν και ψύχθηκαν γρήγορα για να σχηματίσουν κράμα, παρουσίασαν δεκαπλάσια συμμετρία υπό ηλεκτρονικό μικροσκόπιο, μια ιδιότητα που δεν εμφανίζεται σε κρυσταλλικές δομές όπως τα μέταλλα.

Τα κβασιτέλ έχουν ιδιότητες κρυσταλλικών δομών, όπως τα διαμάντια, που σημαίνει ότι είναι οργανωμένα σε μοτίβα, καθώς και αμμοειδείς δομές όπως το γυαλί, που σημαίνει ότι αυτά τα μοτίβα δεν επαναλαμβάνονται. Οι μοναδικές τους ιδιότητες κάνουν τα κβασιτέλ τόσο ανθεκτικά όσο και εύθραυστα.

Σε μια μελέτη από το Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν νωρίτερα φέτος, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι τα κβασιτέλ είναι θεμελιωδώς σταθερά υλικά² παρά το γεγονός ότι μοιράζονται ομοιότητες με αταξικά στερεά.

“Πρέπει να ξέρουμε πώς να διατάξουμε τα άτομα σε συγκεκριμένες δομές αν θέλουμε να σχεδιάσουμε υλικά με επιθυμητές ιδιότητες,” σημείωσε ο συν-συγγραφέας της μελέτης, Γουένχαο Σουν, καθηγητής πρώιμης σταδιοδρομίας στο Τμήμα Επιστήμης και Μηχανικής Υλικών. “Τα κβασιτέλ μας ανάγκασαν να επανεξετάσουμε πώς και γιατί ορισμένα υλικά μπορούν να σχηματιστούν.”

Για να δώσουν απαντήσεις στο γιατί τα κβασιτέλ υπάρχουν ή πώς σχηματίζονται, οι ερευνητές έπρεπε να κατανοήσουν πρώτα τι τα κάνει σταθερά. Για αυτό, έπρεπε να καθορίσουν αν τα κβασιτέλ είναι ενθαλπία- ή εντροπία-σταθεροποιημένα, οπότε οι ερευνητές πάτησαν μικρότερα νανοσωματίδια από ένα μεγαλύτερο προσομοιωμένο μπλοκ κβασιτέλ, έπειτα υπολόγισαν την συνολική ενέργεια σε κάθε νανοσωμάτιο.

Οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι τόσο τα καλά μελετημένα κβασιτέλ, ένα κράμα σκάνδιου και ψευδαργύρου, όσο και ένα κράμα γιέρου και καδμίου, είναι ενθαλπία-σταθεροποιημένα.

Για τον υπολογισμό, η ομάδα χρησιμοποίησε κβαντομηχανικές προσομοιώσεις κβασιτέλ, και για να επιλύσει το μπλοκάρισμα υπολογισμού, επέτρεψαν μόνο στις γειτονικές μονάδες επεξεργασίας να επικοινωνούν αντί για κάθε επεξεργαστή του υπολογιστή να επικοινωνεί με όλους, κάτι που έκανε τον αλγόριθμό τους έως και 100 φορές ταχύτερο.

“Μπορούμε τώρα να προσομοιώσουμε γυαλί και αμμοειδή υλικά, διεπαφές μεταξύ διαφορετικών κρυστάλλων, καθώς και ελαττώματα κρυστάλλων που μπορούν να ενεργοποιήσουν bits κβαντικής υπολογιστικής.”

– Βίκραμ Γκαβίνι, καθηγητής Μηχανικής στο Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν και επιστήμης υλικών

Σε άλλη έρευνα, το Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας (NIST) επιστήμονες βρήκαν κβασιτέλ σε ένα νέο κράμα αλουμινίου-ζιρκόνιου³, το οποίο διαμορφώθηκε υπό τις ακραίες συνθήκες της 3Δ εκτύπωσης μετάλλου.

Ενώ η προσθήκη ζιρκόνιου σε σκόνη αλουμινίου επιτρέπει την εκτύπωση κράματος αλουμινίου υψηλής αντοχής, η ομάδα του NIST ήθελε να καταλάβει τι κάνει αυτό το μέταλλο τόσο δυνατό, ώστε να μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε κρίσιμα εξαρτήματα όπως μέρη αεροσκαφών στρατιωτικού τύπου. 

Και διαπίστωσαν ότι τα κβασιτέλ είναι υπεύθυνα γι’ αυτό. Η διάσπαση του κανονικού μοτίβου κρυστάλλων αλουμινίου ενισχύει το κράμα. Όταν παρατηρήθηκε από τη σωστή γωνία, η ομάδα εντόπισε τη “πολύ σπάνια” πενταπλή περιστροφική συμμετρία, επιπλέον της διπλής και τριπλής συμμετρίας, από δύο διαφορετικές γωνίες.

Αυτό, σύμφωνα με τον φυσικό του NIST και συν-συγγραφέα Φαν Ζανγκ, “θα ανοίξει μια νέα προσέγγιση στο σχεδιασμό κραμάτων. Με την έρευνα που δείχνει ότι τα κβασιτέλ μπορούν να κάνουν το αλουμίνιο πιο δυνατό. Τώρα οι άνθρωποι ίσως προσπαθήσουν να τα δημιουργήσουν σκόπιμα σε μελλοντικά κράματα,” πρόσθεσε.

Μέσα στην Επανάσταση των Γυρομορφικών: Ισοτροπικά Υλικά Ζώνης Απαγόρευσης

Τα κβασιτέλ έχουν πολλές υποσχέσεις. Έχουν ακόμη και τη δυνατότητα να φράξουν πλήρως το φως. Αλλά μόνο από περιορισμένες κατευθύνσεις. Και ενώ μπορούν να εξασθενίσουν το φως από όλες τις κατευθύνσεις, δεν μπορούν να το σταματήσουν εντελώς.

Για να ξεπεραστεί αυτός ο περιορισμός, οι επιστήμονες έχουν αναζητήσει εναλλακτικές λύσεις που μπορούν να φράξουν το φως που υποβαθμίζει το σήμα πιο αποτελεσματικά. Αυτό οδήγησε στην ανάπτυξη των γυρομορφικών, που μπορούν να βοηθήσουν στην κατασκευή υλικών που αποτρέπουν το ανεπιθύμητο φως από την είσοδο από οποιαδήποτε κατεύθυνση πιο αποτελεσματικά. Σύμφωνα με τον ανώτερο συγγραφέα της μελέτης, Στέφανο Μαρτίνιανι, βοηθός καθηγητής φυσικής, χημείας, μαθηματικών και νευροεπιστήμης:

“Τα γυρομορφικά δεν μοιάζουν με καμία γνωστή δομή, καθώς η μοναδική τους σύνθεση δημιουργεί καλύτερα ισοτροπικά υλικά ζώνης απαγόρευσης από ό,τι είναι δυνατόν με τις τρέχουσες προσεγγίσεις.”

Ωστόσο, ένα μεγάλο εμπόδιο στην κατασκευή αυτών των υλικών, των οποίων οι ιδιότητες εξαρτώνται από την αρχιτεκτονική τους, είναι η διάταξη που απαιτείται για την επίτευξη των επιθυμητών φυσικών ιδιοτήτων.

Δημοσιεύτηκε στο Physical Review Letters, οι ερευνητές του Πανεπιστημίου της Νέας Υόρκης περιγράφουν μια νέα στρατηγική⁴ για τη ρύθμιση της οπτικής συμπεριφοράς.

Η ομάδα ανέπτυξε έναν αλγόριθμο που μπορεί να παράγει λειτουργικές δομές με ενσωματωμένη αταξία. Η νέα μορφή “συσχετισμένης αταξίας” που αποκαλύφθηκε από την ομάδα βρίσκεται μεταξύ των δύο ακραίων: πλήρως τακτοποιημένης και πλήρως τυχαίας.

“Σκεφτείτε τα δέντρα σε ένα δάσος – μεγαλώνουν σε τυχαίες θέσεις, αλλά όχι εντελώς τυχαίες επειδή συνήθως είναι σε μια συγκεκριμένη απόσταση μεταξύ τους. Αυτό το νέο μοτίβο, τα γυρομορφικά, συνδυάζει ιδιότητες που θεωρούσαμε ασύμβατες και εμφανίζει λειτουργία που ξεπερνά όλες τις τακτοποιημένες εναλλακτικές, συμπεριλαμβανομένων των κβασιτέλ.”

– Martiniani

Κατά τη διάρκεια της έρευνάς τους, η ομάδα παρατήρησε ότι όλα τα ισοτροπικά υλικά ζώνης απαγόρευσης παρουσίαζαν την ίδια δομική υπογραφή. Έτσι, επικεντρώθηκαν στο να το κάνουν “το πιο έντονο δυνατό”, οδηγώντας στη δημιουργία των γυρομορφικών.

Η νέα κλάση υλικών, δήλωσε ο κύριος συγγραφέας Μαθίας Κασιουλίς, μεταδιδακτορικός ερευνητής στο τμήμα Φυσικής του NYU, “συμφιλιώνει φαινομενικά ασύμβατα χαρακτηριστικά,” επειδή δεν έχουν μια κρυσταλλική, σταθερή, επαναλαμβανόμενη δομή, που τους δίνει μια τυχαία, υγρή αταξία. Ταυτόχρονα, όμως, όταν τα κοιτάζουμε από απόσταση, σχηματίζουν τακτικά μοτίβα.

“Αυτές οι ιδιότητες συνεργάζονται για να δημιουργήσουν ζώνες απαγόρευσης που τα κύματα φωτός δεν μπορούν να διαπεράσουν από καμία κατεύθυνση.”

– Casiulis 

Η ομάδα εισήγαγε επίσης “πολυγυρομορφικά” με πολλαπλές περιστροφικές συμμετρίες σε διάφορες κλίμακες μήκους για να επιτρέψουν το σχηματισμό πολλαπλών ζωνών απαγόρευσης σε μια μόνο δομή, ανοίγοντας έτσι τις πόρτες για ακριβή έλεγχο των οπτικών ιδιοτήτων.
Σύρετε για κύλιση →

AI και Επόμενες Γενιές Κβαντικών Υλικών στην Ανακάλυψη

Καθώς οι ερευνητές προχωρούν πιο βαθιά σε υλικά επόμενης γενιάς, εμφανίζονται εντελώς νέες κατηγορίες υλικών.

Πρόσφατα, μια ερευνητική ομάδα υπό την ηγεσία του Εργαστηρίου του Υπουργείου Ενέργειας στο Berkeley Lab ανακοίνωσε την ανακάλυψη⁵ του «berkelocene», ενός οργανικομεταλλικού μορίου που περιέχει το συνθετικό, βαρύ, ραδιενεργό χημικό στοιχείο βερκέλιο.

Τα μόρια αποτελούνται από ένα μεταλλικό ιόν περιτριγυρισμένο από ένα ανθρακικό πλαίσιο, και ενώ είναι σχετικά κοινά για τα πρώτα στοιχεία της ακτίνου, είναι σπάνια γνωστά για τα μεταγενέστερα.

“Αυτή είναι η πρώτη φορά που αποκτήθηκε απόδειξη για το σχηματισμό χημικού δεσμού μεταξύ βερκέλιου και άνθρακα. Η ανακάλυψη παρέχει νέα κατανόηση του πώς το βερκέλιο και άλλα ακτίνια συμπεριφέρονται σε σχέση με τους ομολόγους τους στον περιοδικό πίνακα,” είπε ο συν-συγγραφέας Στέφαν Μινασιάν, επιστήμονας στη Χημική Επιστήμη του Berkeley Lab, που εργάζεται στην προετοιμασία οργανικομεταλλικών ενώσεων ακτίνων, καθώς τους επιτρέπει να παρατηρήσουν τις διακριτές ηλεκτρονικές δομές των ακτίνων.

Τα ακτίνια είναι μια σειρά από 15 ραδιενεργά μεταλλικά στοιχεία στον περιοδικό πίνακα, που βρίσκονται στο f-μπλοκ. Το ουράνιο και το πλουτώνιο είναι παραδείγματα ακτίνων. Είναι γνωστά για τις ραδιενεργές τους ιδιότητες και χρησιμοποιούνται σε πυρηνικούς αντιδραστήρες και άλλες τεχνολογίες.

Τον περασμένο χρόνο, μια συνεργασία μεταξύ ερευνητών του Πανεπιστημίου Uppsala, Σουηδία, και του Πανεπιστημίου Columbia, ΗΠΑ, οδήγησε στην ανακάλυψη ενός 2Δ κβαντικού υλικού που ονομάζεται CeSiI⁶, με κρυσταλλική δομή από κερίο, πυρίτιο και ιώδιο. Η κρυσταλλική του δομή μοιάζει με μια δισδιάστατη διάταξη διαφορετικών, ατομικά λεπτών στρωμάτων. 

Τα ηλεκτρόνια του CeSiI συμπεριφέρονται ως βαριά φερμιόνια, με αποτελεσματική μάζα έως και 100 φορές μεγαλύτερη από αυτήν των κανονικών υλικών. Αυτή η αποτελεσματική μάζα είναι ανισοτροπική· επομένως, εξαρτάται από την κατεύθυνση στην οποία κινούνται τα ηλεκτρόνια στα ατομικά στρώματα.

“Με αυτήν την ανακάλυψη, έχουμε τώρα μια σημαντικά βελτιωμένη πλατφόρμα υλικού για την έρευνα συσχετισμένων ηλεκτρονικών δομών. Τα 2Δ υλικά είναι σαν ένα κατασκευαστικό κιτ με κομμάτια LEGO. Οι συνεργάτες μας ήδη εργάζονται για την προσθήκη στρωμάτων από άλλα 2Δ υλικά ώστε να δημιουργήσουν ένα νέο υλικό με προσαρμοσμένες κβαντικές ιδιότητες.”

– Chin Shen Ong από το Τμήμα Φυσικής και Αστρονομίας στο Uppsala

Στην επιστήμη των υλικών, υπάρχουν αμέτρητες δυνατότητες, και η επιλογή του σωστού υλικού είναι ένα βασικό εμπόδιο για νέες ανακαλύψεις. Ενώ οι προβλεπόμενες θεωρητικές προγνώσεις και οι πειραματικές επικυρώσεις βοηθούν στην επιλογή, η διαδικασία παρέμεινε κατακερματισμένη.

Αυτή είναι η στιγμή που η τεχνητή νοημοσύνη στην επιστήμη των υλικών παίρνει την ηγεσία, ενσωματώνοντας κβαντικές γνώσεις με μεγάλα σύνολα δεδομένων για γρήγορη σάρωση, μοντελοποίηση και βελτιστοποίηση νέων υλικών που θα ήταν αδύνατο να ανακαλυφθούν με την παραδοσιακή μέθοδο δοκιμής‑και‑σφάλματος.

Μια ομάδα ερευνητών στο Πανεπιστήμιο Tohoku δημιούργησε έναν χάρτη υλικών που χτίστηκε με AI⁷ για να ενοποιήσει όλα τα πειραματικά δεδομένα με αντιπροσωπευτικά δεδομένα πρώτων αρχών, με στόχο να βοηθήσει τους ερευνητές να βρουν το κατάλληλο υλικό για κάθε κατάσταση.

Ο χάρτης είναι ένα μεγάλο γράφημα με άξονες για δομική ομοιότητα και θερμοηλεκτρική απόδοση (zT), με κάθε σημείο δεδομένων να αντιπροσωπεύει ένα υλικό. Παρόμοια υλικά εμφανίζονται σε κοντινή εγγύτητα. Καθώς αυτά τα υλικά συνήθως συντίθενται και αξιολογούνται με παρόμοιες μεθόδους και συσκευές, ο χάρτης επιτρέπει στους πειραματιστές να εντοπίζουν γρήγορα ανάλογα άγνωστα υλικά υψηλής απόδοσης και να επαναχρησιμοποιούν υπάρχουσες διαδικασίες σύνθεσης ως επόμενα βήματα.

Με αυτόν τον τρόπο, το εργαλείο μπορεί να βοηθήσει στη μείωση του κόστους ανάπτυξης και στην επιτάχυνση της καινοτομίας και της πραγματικής εφαρμογής. Στο μέλλον, η ομάδα σχεδιάζει να επεκτείνει το πλαίσιο πέρα από τα θερμοηλεκτρικά υλικά ώστε να συμπεριλάβει τοπολογικά και μαγνητικά υλικά και να ενσωματώσει πρόσθετους περιγραφείς για τη δημιουργία μιας ολοκληρωμένης, AI‑βοηθούμενης πλατφόρμας σχεδίασης υλικών.

“Παρέχοντας μια διαισθητική, εναέρια άποψη πάνω σε πολλούς υποψήφιους, ο χάρτης βοηθά τους ερευνητές να επιλέγουν υποσχόμενους στόχους με μια ματιά· επομένως, αναμένεται να μειώσει σημαντικά τους χρόνους ανάπτυξης για νέα λειτουργικά υλικά.”

– Αναπληρωτής Καθηγητής Yusuke Hashimoto

Παράλληλα, μια μελέτη από το Πανεπιστήμιο Gothenburg ανέπτυξε ένα μοντέλο AI για αποτελεσματικό προσδιορισμό της αντοχής και της διάρκειας ζωής⁸ υφασμένων σύνθετων υλικών.

Η εκτέλεση φυσικών δοκιμών και λεπτομερών προσομοιώσεων υπολογιστών για το σχεδιασμό νέων υψηλής ποιότητας σύνθετων υλικών, είναι “ιδιαίτερα δύσκολη όταν το σύνθετο δημιουργείται ως υφασμένο υλικό ίνας, όπου οι ίνες περιβάλλονται μεταξύ τους και συμπεριφέρονται διαφορετικά ανάλογα με τις δυνάμεις που υφίσταται το υλικό,” σημειώνει ο Εχσάν Γκάνε, φοιτητής διδακτορικού στο Τμήμα Φυσικής του Πανεπιστημίου Gothenburg.

Ενώ οι υπολογιστές μπορούν ήδη να προσομοιώσουν ρεαλιστικές μικροδομές βάσει των αλληλεπιδράσεων του υλικού, τα υφασμένα σύνθετα υλικά εξακολουθούν να απαιτούν σημαντικούς πόρους υπολογισμού. Τα νευρωνικά δίκτυα προσφέρουν μια εναλλακτική, αλλά απαιτούν μεγάλα σύνολα δεδομένων εκπαίδευσης και δυσκολεύονται να εξάγουν, γι’ αυτό η ομάδα ανέπτυξε ένα γενικευμένο μοντέλο AI που δεν απαιτεί τόσο μεγάλο όγκο δεδομένων.

Το μοντέλο έχει εκπαιδευτεί σε υπάρχοντα δεδομένα προσομοίωσης και δοκιμών για τα συστατικά υλικά του σύνθετου, επιτρέποντάς του να προβλέπει τη διάρκεια ζωής του νέου σύνθετου.

Ενώ η μελέτη του Gothenburg ερεύνησε μεθόδους ενσωμάτωσης νόμων υλικού στο μοντέλο AI, μια ομάδα ερευνητών από το KAIST συνδύασε φυσικούς νόμους με το μοντέλο AI για να επιτρέψει την ταχεία εξερεύνηση νέων υλικών ακόμη και όταν τα δεδομένα είναι θορυβώδη ή περιορισμένα.

Η ταυτοποίηση ιδιοτήτων είναι ένα από τα κύρια βήματα στην ανάπτυξη νέων υλικών, αλλά απαιτεί τεράστιες ποσότητες πειραματικών δεδομένων και ακριβό εξοπλισμό, που περιορίζει την αποδοτικότητα της έρευνας. Η ομάδα του KAIST ξεπέρασε αυτήν την ανάγκη ενσωματώνοντας τους νόμους που διέπουν την παραμόρφωση και την αλληλεπίδραση υλικών και ενέργειας.

Οι ερευνητές ανέφεραν μια τεχνική φυσικά‑πληροφοριακού νευρωνικού δικτύου (PINN)⁹ για την ανίχνευση ιδιοτήτων υλικού και συμπεριφοράς παραμόρφωσης χρησιμοποιώντας μόνο μια μικρή ποσότητα δεδομένων από μία μόνο πειραματική δοκιμή. Στη συνέχεια εισήγαγαν ένα μοντέλο AI, τον Physics‑Informed Neural Operator (PINO), που κατανοεί τους νόμους της φυσικής και μπορεί να γενικεύσει σε άγνωστα υλικά.

Οι ερευνητές του MIT πήγαν ακόμη πιο μακριά, αναπτύσσοντας μια μέθοδο που ενσωματώνει πληροφορίες από πολλαπλές πηγές¹⁰: τη βιβλιογραφία, τις χημικές συνθέσεις, τις μικροδομικές εικόνες και άλλα. 

Αποτελεί μέρος της νέας πλατφόρμας Copilot για Πραγματικούς Επιστήμονες Πειραμάτων (CRESt). Η μέθοδός τους χρησιμοποιεί ρομποτικό εξοπλισμό για να επιτρέψει υψηλής διαπερατότητας δοκιμές υλικών, στη συνέχεια τροφοδοτεί τα αποτελέσματα πίσω σε μεγάλα πολυμορφικά μοντέλα για να βελτιώσουν τις συνταγές τους.

Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν αυτόν τον “βοηθό, όχι αντικατάσταση, για τους ανθρώπινους ερευνητές“, για να εξερευνήσουν πάνω από 900 χημικές ενώσεις και να πραγματοποιήσουν 3.500 ηλεκτροχημικές δοκιμές που οδήγησαν στην ανακάλυψη ενός καταλύτη που παρείχε ρεκόρ πυκνότητας ισχύος σε κυψέλη καυσίμου για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.

Επένδυση στην Πρόοδο της Επιστήμης Υλικών

Στον κόσμο της επιστήμης των υλικών, ATI Inc. (ATI ) είναι γνωστή για τα τεχνικά προχωρημένα ειδικά υλικά και πολύπλοκα εξαρτήματα. Η εταιρεία παράγει υλικά υψηλής απόδοσης για τους τομείς αεροδιαστημικής, άμυνας, ιατρικής, ηλεκτρονικής και ενέργειας.

Τα προϊόντα της ATI κατασκευάζονται από κράματα βάσει νικελίου και υπερκράματα, τιτάνιο και κράματα βάσει τιτανίου, καθώς και ειδικά κράματα. Λειτουργεί μέσω δύο τμημάτων:

• Υψηλής Απόδοσης Υλικά & Εξαρτήματα (HPMC)
• Προηγμένα Κράματα & Λύσεις (AA&S)

Με κεφαλαιοποίηση αγοράς 13,5 δισεκατομμυρίων δολαρίων, οι μετοχές της ATI διαπραγματεύονται στα 99,37 δολάρια, με άνοδο 80,5% φέτος. Έχει κέρδη ανά μετοχή (TTM) 3,10 και P/E (TTM) 32,09. Η εταιρεία πληρώνει απόδοση μερίσματος 0,32%.