Ένας νέος τρόπος ελέγχου του φωτός για ταχύτερους υπολογιστές του μέλλοντος

Οι επιστήμονες δημιούργησαν έναν νέο τύπο μεταϋλικού που μπορεί να προσφέρει ολοκληρωμένη λειτουργικότητα αποκλεισμού φωτός για φωτονικούς υπολογιστές.

A Το μεταϋλικό είναι ένα κατασκευασμένο υλικό του οποίου οι ιδιότητες δεν προκύπτουν από τη χημική σύνθεση των βασικών συστατικών του αλλά από την προσεκτικά σχεδιασμένη εσωτερική δομή τους. Ως εκ τούτου, αυτά τα υλικά μπορούν να εμφανίσουν ασυνήθιστα ιδιότητες που δεν βρέθηκαν σε φυσικά υλικά.

Αυτά τα υλικά συνήθως αποτελούνται από πολλαπλά υλικά, όπως μέταλλα και πλαστικά, και είναι διατεταγμένα σε επαναλαμβανόμενες δομές υπομήκους κύματος. Το σχήμα, το μέγεθος, η γεωμετρία, ο προσανατολισμός και η διάταξη τους προσδίδουν τις ιδιότητές τους, επιτρέποντάς τους να χειρίζονται ηλεκτρομαγνητικά, ακουστικά ή σεισμικά κύματα απορροφώντας, κάμπτοντας, ενισχύοντας ή μπλοκάροντας τα κύματα, για να επιτύχουν οφέλη που δεν είναι δυνατά με τα συμβατικά υλικά.

The νέο μεταϋλικό κατασκευασμένο¹ από επιστήμονες στο Πανεπιστήμιο της Νέας Υόρκης συνδυάζει χαρακτηριστικά Αυτό είναι συνήθως σχετίζεται με υγρά και κρυστάλλους αλλά ξεπερνά και οι δύο από αυτούς στην ικανότητά του να μπλοκάρει το εισερχόμενο φως από όλες τις γωνίες.

Ονομαζόμενες γυρόμορφα, η νέα κατηγορία λειτουργικά συσχετισμένων αταξικών υλικών συνδυάζει την υγρή τυχαιότητα με μεγάλης κλίμακας δομικά μοτίβα για να μπλοκάρει το φως από κάθε κατεύθυνση. Η μελέτη ανέφερε:

"Δημιουργούμε γυρομορφές σε 2D και 3D με μεθόδους φασματικής βελτιστοποίησης, επαληθεύοντας ότι εμφανίζουν ισχυρή διακριτή περιστροφική τάξη αλλά όχι μεταφορική τάξη μεγάλου εύρους, διατηρώντας παράλληλα την περιστροφική ισοτροπία σε μικρό εύρος για επαρκώς μεγάλα φαινόμενα. 𝐺. 

Με αυτήν την καινοτομία, οι ερευνητές κατάφεραν λυθεί περιορισμοί σε σχέδια που βασίζονται σε ημικρυστάλλους και έχουν μακρά ενοχλούσε επιστήμονες. Μπορεί επίσης να βοηθήσει στην προώθηση της προόδου στον φωτονικό υπολογισμό.

Από τους ημικρυστάλλους στους γυρομορφικούς τύπους στη φωτονική υπολογιστική

Στη φωτονική υπολογιστική, τα φωτόνια αντί του ηλεκτρικά ρεύματα Χρησιμοποιούνται για την εκτέλεση υπολογισμούς. Αυτή η νέα γενιά υπολογιστών, μόλις υλοποιηθεί, μπορεί να είναι πολύ πιο αποτελεσματική και ταχύτερη από τις παραδοσιακές συμβατικές μηχανές.

Με επεξεργασία δεδομένων με την ταχύτητα του φωτός, είναι πολλά υποσχόμενο για εργασίες υψηλής απόδοσης όπως η Τεχνητή Νοημοσύνη, αλλά η τεχνολογία αντιμετωπίζει επί του παρόντος προκλήσεις όσον αφορά τη σμίκρυνση και το κόστος. 

Οι εξελίξεις στον τομέα έχουν οδηγήσει στην ανάπτυξη λειτουργικών φωτονικών τσιπ για ενσωμάτωση σε διακομιστές υπολογιστών υψηλής απόδοσης. Αλλά η υπολογιστική που βασίζεται στο φως εξακολουθεί να είναι ένα μαύρισμα νωρίς στάδιο, με τους ερευνητές να αγωνίζονται να ελέγξουν μικροσκοπικές ροές φωτός που ταξιδεύουν μέσα από ένα τσιπ. 

Τα προσεκτικά σχεδιασμένα υλικά είναι αυτά που χρειαζόμαστε για να αναδρομολογήσουμε με επιτυχία αυτά τα μικροσκοπικά οπτικά σήματα χωρίς να αποδυναμώσουμε την ισχύ τους. Η διατήρηση ισχυρών αυτών των σημάτων απαιτεί a εξειδικευμένο, ελαφρύ ουσία στο υλικό που εμποδίζει την είσοδο σκεδαζόμενου φωτός από οποιαδήποτε κατεύθυνση. 

Ένα κρίσιμο στοιχείο για την επίτευξη αυτού είναι η ενσωμάτωση του ισότροπου υλικού ενεργειακού χάσματος. Αυτό το υλικό εμποδίζει τη διάδοση του φωτός ή άλλων κυμάτων προς όλες τις κατευθύνσεις, εφόσον οι συχνότητες βρίσκονται εντός του ενεργειακού χάσματος του. Ένα τέτοιο υλικό μπορεί να είναι άτακτο αλλά υπερομοιόμορφο, που σημαίνει ότι δεν έχει μεταφραστική τάξη μεγάλης εμβέλειας, αλλά διαθέτει έναν συγκεκριμένο, ελεγχόμενο τύπο τυχαιότητας.

Όταν οι ερευνητές κατασκεύαζαν ισοτροπικά υλικά ενεργειακού χάσματος, μακράς εστίασης σε ημικρυστάλλους.

Αυτές οι δομές ότι ακολουθήστε μαθηματικούς κανόνες αλλά μην επαναλαμβάνετε όπως οι παραδοσιακοί κρύσταλλοι ανακαλύφθηκαν για πρώτη φορά από τον επιστήμονα Dan Shechtman πίσω στις αρχές της δεκαετίας του 1980, για το οποίο κέρδισε το βραβείο Νόμπελ στη Χημεία το 2011.

Η ανακάλυψη έγινε ενώ ερευνούσαν το αλουμίνιο και το μαγγάνιο. Όταν τα δύο μέταλλα έλιωσαν μαζί και ψύχθηκαν γρήγορα για να σχηματίσουν ένα κράμα, εμφάνισαν δεκαπλάσια συμμετρία κάτω από ηλεκτρονικό μικροσκόπιο, μια ιδιότητα που δεν εμφανίζεται σε κρυσταλλικές δομές όπως τα μέταλλα.

Οι ημικρύσταλλοι έχουν ιδιότητες κρυσταλλικών δομών, όπως τα διαμάντια, πράγμα που σημαίνει ότι είναι οργανωμένοι σε μοτίβα, καθώς και σε άμορφες δομές όπως το γυαλί, πράγμα που σημαίνει ότι αυτά τα μοτίβα δεν επαναλαμβάνονται. Οι μοναδικές τους ιδιότητες καθιστούν τους ημικρυστάλλους τόσο ανθεκτικούς όσο και εύθραυστους.

Σε μια μελέτη του Πανεπιστημίου του Μίσιγκαν νωρίτερα φέτος, Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι οι ημικρύσταλλοι είναι θεμελιωδώς σταθερά υλικά² παρά την ομοιότητα που παρουσιάζει με τα ακατάστατα στερεά.

«Πρέπει να γνωρίζουμε πώς να διατάσσουμε τα άτομα σε συγκεκριμένες δομές αν θέλουμε να σχεδιάσουμε υλικά με τις επιθυμητές ιδιότητες», σημείωσε ο συν-συγγραφέας της μελέτης, Wenhao Sun, Επίκουρος Καθηγητής Επιστήμης και Μηχανικής Υλικών στο Dow Early Career. «Οι ημικρύσταλλοι μας έχουν αναγκάσει να επανεξετάσουμε πώς και γιατί μπορούν να σχηματιστούν ορισμένα υλικά».

Να παρέχει ο απαντήσεις σε αν θες... γιατί υπάρχουν οι ημικρύσταλλοι ή πώς σχηματίζονται, οι ερευνητές είχαν να καταλάβω πρώτα αν θες... τι τα κάνει σταθερά. Για αυτό, έπρεπε να καθοριστεί if οι ημικρύσταλλοι είναι σταθεροποιημένοι ως προς την ενθαλπία ή την εντροπία, so οι ερευνητές πήρε μικρότερα νανοσωματίδια από ένα μεγαλύτερο προσομοιωμένο μπλοκ of ημικρύσταλλος, Τότε υπολόγισε το συνολική ενέργεια in κάθε νανοσωματίδιο.

Οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι τόσο οι καλά εξερευνημένοι οιονεί κρύσταλλοι, ένα κράμα σκάνδιου και ψευδαργύρου, όσο και ένα κράμα υττερβίου και καδμίου, είναι σταθεροποιημένοι ως προς την ενθαλπία.

Για τον υπολογισμό, η ομάδα χρησιμοποίησε κβαντομηχανικές προσομοιώσεις ημικρυστάλλων και για να επίλυση ο χρήση υπολογιστή σημείο συμφόρησης, είχαν μόνο ο γειτονικοί επεξεργαστές επικοινωνούν αντί να επικοινωνούν μεταξύ τους υπολογιστή επεξεργαστή επικοινωνούν μεταξύ τους, γεγονός που έκανε τον αλγόριθμό τους έως και 100 φορές πιο γρήγορο.

«Μπορούμε πλέον να προσομοιώσουμε γυαλί και άμορφα υλικά, διεπαφές μεταξύ διαφορετικών κρυστάλλων, καθώς και ελαττώματα κρυστάλλων που μπορούν να επιτρέψουν την κβαντική υπολογιστική τεχνολογία».

– Vikram Gavini, καθηγητής μηχανολογίας UM και επιστήμη υλικών και της μηχανικής

Σε ένα άλλο έρευνα, ο Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας (NIST) Οι επιστήμονες ανακάλυψαν ημικρυστάλλους σε ένα νέο κράμα αλουμινίου-ζιρκονίου³, Το οποίο ήταν σχηματίζεται σύμφωνα με το ακραίες συνθήκες της τρισδιάστατης εκτύπωσης μετάλλων.

Ενώ η προσθήκη ζιρκονίου σε σκόνη αλουμινίου επιτρέπει την εκτύπωση κραμάτων αλουμινίου υψηλής αντοχής, η ομάδα του NIST ήθελε να καταλάβει τι κάνει αυτό το μέταλλο τόσο ισχυρό, έτσι μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε κρίσιμα εξαρτήματα όπως εξαρτήματα στρατιωτικών αεροσκαφών. 

Και διαπίστωσαν ότι οι ημικρύσταλλοι είναι υπεύθυνοι για αυτό. Η διάσπαση του κανονικού μοτίβου των κρυστάλλων αλουμινίου ενισχύει το κράμα.. Όταν παρατηρήθηκε από τη σωστή γωνία, η ομάδα διαπίστωσε την «πολύ σπάνια» πενταπλή περιστροφική συμμετρία, εκτός από τις διπλές και τριπλές συμμετρίες, από δύο διαφορετικές οπτικές γωνίες.

Αυτός ο διαλογισμός στα, σύμφωνα με τον φυσικό του NIST και συν-συγγραφέα, Fan Zhang, «θα ανοίξει μια νέα προσέγγιση στο σχεδιασμό κραμάτων. Με την έρευνα να δείχνει ότι «οι ημικρύσταλλοι μπορούν να κάνουν το αλουμίνιο πιο ανθεκτικό. Τώρα οι άνθρωποι μπορεί να προσπαθήσουν να τους δημιουργήσουν σκόπιμα σε μελλοντικά κράματα," αυτός πρόσθεσε.

Μέσα στην Επανάσταση των Γυρομορφών: Ισοτροπικά Υλικά Ζωνικού Χάσματος

Οι ημικρύσταλλοι έχουν πολλές υποσχέσεις. έχουν ακόμη και την ικανότητα προς την μπλοκάρει εντελώς το φως. Αλλά μόνο από περιορισμένες κατευθύνσεις. Και ενώ μπορούν να αποδυναμώσουν το φως από όλες τις κατευθύνσεις, δεν μπορούν να το σταματήσουν εντελώς.

Για να ξεπεραστεί αυτός ο περιορισμός, οι επιστήμονες αναζητούν εναλλακτικές λύσεις που μπορούν να μπλοκάρουν το φως που υποβαθμίζει το σήμα πιο αποτελεσματικά. Αυτός ο διαλογισμός στα έχει οδηγήσει στην ανάπτυξη γυρομορφών, οι οποίες μπορούν να βοηθήσουν στην κατασκευή υλικών που εμποδίζουν την είσοδο σκεδαζόμενου φωτός από οποιαδήποτε κατεύθυνση πιο αποτελεσματικά. Σύμφωνα με τον κύριο συγγραφέα της μελέτης, Στέφανο Μαρτινιάνι, ο οποίος είναι επίκουρος καθηγητής φυσικής, χημείας, μαθηματικών και νευροεπιστήμης:

«Οι γυρόμορφοι δεν διαφέρουν από καμία γνωστή δομή, καθώς η μοναδική τους σύνθεση δημιουργεί καλύτερα ισότροπα υλικά ενεργειακού χάσματος από ό,τι είναι δυνατό με τις τρέχουσες προσεγγίσεις». 

Ωστόσο, ένα σημαντικό εμπόδιο στη μηχανική αυτών των υλικών, των οποίων οι ιδιότητες εξαρτώνται από την αρχιτεκτονική τους, είναι η διάταξη που απαιτείται για την επίτευξη τις επιθυμητές φυσικές ιδιότητες.

Δημοσιεύτηκε στο Physical Review Letters, το Ερευνητές του Πανεπιστημίου της Νέας Υόρκης περιγράφουν λεπτομερώς μια νέα στρατηγική⁴ για να ρυθμίσετε την οπτική συμπεριφορά.

Η ομάδα έχει αναπτύξει έναν αλγόριθμο που μπορεί να παράγει λειτουργικές δομές με ενσωματωμένη αταξία. Η νέα μορφή «συσχετισμένης αταξίας» που αποκάλυψε η ομάδα βρίσκεται ανάμεσα στα δύο άκρα: πλήρως διατεταγμένη και πλήρως τυχαία.

«Σκεφτείτε τα δέντρα σε ένα δάσος - αναπτύσσονται σε τυχαίες θέσεις, αλλά όχι εντελώς τυχαία επειδή συνήθως βρίσκονται σε μια ορισμένη απόσταση το ένα από το άλλο. Αυτό το νέο μοτίβο, τα γυρομορφικά, συνδυάζει ιδιότητες που πιστεύαμε ότι είναι ασύμβατες και εμφανίζει μια συνάρτηση που ξεπερνά όλες τις διατεταγμένες εναλλακτικές λύσεις, συμπεριλαμβανομένων των ημικρυστάλλων».

- Μαρτινιάνι

Κατά τη διάρκεια της έρευνάς τους, η ομάδα παρατήρησε ότι όλα τα ισότροπα υλικά ενεργειακού χάσματος εμφάνιζαν την ίδια δομική υπογραφή. Έτσι, επικεντρώθηκαν στο να την κάνουν «όσο το δυνατόν πιο έντονη», οδηγώντας στη δημιουργία γυρομορφών.

Η προκύπτουσα νέα κατηγορία υλικών, όπως δήλωσε ο επικεφαλής συγγραφέας Mathias Casiulis, μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Τμήμα Φυσικής του NYU, «συμφιλιώνει φαινομενικά ασύμβατα χαρακτηριστικά», επειδή δεν έχουν μια κρυσταλλική, σταθερή, επαναλαμβανόμενη δομή, η οποία τους δίνει μια υγρή αταξία. Ταυτόχρονα, όμως, όταν κοιτούν από απόσταση, σχηματίζουν κανονικά μοτίβα.

«Αυτές οι ιδιότητες συνεργάζονται για να δημιουργήσουν ενεργειακά κενά που τα φωτεινά κύματα δεν μπορούν να διαπεράσουν από καμία κατεύθυνση».

– Κασιούλις 

Η ομάδα εισήγαγε επίσης «πολυγυρομορφές» με πολλαπλές περιστροφικές συμμετρίες σε διάφορες κλίμακες μήκους για να επιτρέψει τον σχηματισμό πολλαπλών ζωνικών κενών σε μία μόνο δομή, ανοίγοντας έτσι τις πόρτες για την επίτευξη λεπτού ελέγχου των οπτικών ιδιοτήτων.
Σύρετε για κύλιση →

Τεχνητή Νοημοσύνη και Κβαντικά Υλικά Επόμενης Γενιάς στην Ανακάλυψη

Καθώς οι ερευνητές συνεχίζουν να εμβαθύνουν στα υλικά επόμενης γενιάς, αναδύονται εντελώς νέες κατηγορίες υλικών.

Πρόσφατα, μια ερευνητική ομάδα με επικεφαλής το Εργαστήριο Μπέρκλεϋ του Υπουργείου Ενέργειας ανέφερε την ανακάλυψη⁵ του «μπερκελόκενου», ενός οργανομεταλλικού μορίου που περιέχει το συνθετικό, βαρύ, ραδιενεργό χημικό στοιχείο μπερκέλιο.

Τα μόρια αποτελούνται από ένα μεταλλικό ιόν που περιβάλλεται από ένα πλαίσιο με βάση τον άνθρακα και, ενώ είναι σχετικά συνηθισμένο για τα πρώιμα ακτινιδικά στοιχεία, είναι ελάχιστα γνωστά για τα μεταγενέστερα.

"Αυτή είναι η πρώτη φορά που υπάρχουν στοιχεία για τον σχηματισμό χημικού δεσμού μεταξύ μπερκελίου και άνθρακα. έχει αποκτηθεί«Η ανακάλυψη παρέχει νέα κατανόηση του πώς συμπεριφέρονται το μπερκέλιο και άλλες ακτινίδες σε σχέση με τους ομολόγους τους στον περιοδικό πίνακα», δήλωσε ο... συν-συγγραφέας Ο Στέφαν Μινασιαν, επιστήμονας στο Τμήμα Χημικών Επιστημών του Εργαστηρίου Μπέρκλεϋ, η οποία εργάζεται για την παρασκευή οργανομεταλλικών ενώσεων ακτινιδών, καθώς αυτές τους επιτρέπουν να παρατηρούν τις διακριτές ηλεκτρονικές δομές των ακτινιδών.

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

Πέρυσι, μια συνεργασία μεταξύ ερευνητών από το Πανεπιστήμιο της Ουψάλα στη Σουηδία και το Πανεπιστήμιο Κολούμπια στις ΗΠΑ οδήγησε στο ανακάλυψη ενός δισδιάστατου κβαντικού υλικού που ονομάζεται CeSiI⁶, με κρυσταλλική δομή δημητρίου, πυριτίου και ιωδίου. Η κρυσταλλική του δομή μοιάζει με δισδιάστατη διάταξη διακριτά, λεπτά όσο ένα άτομο στρώματα. 

Τα ηλεκτρόνια του CeSil συμπεριφέρονται ως βαριά φερμιόνια, με αποτελεσματική μάζα έως και 100 φορές μεγαλύτερη από ό,τι στα συνηθισμένα υλικά. Αυτή η αποτελεσματική μάζα είναι ανισότροπη, επομένως εξαρτάται από την κατεύθυνση στην οποία κινούνται τα ηλεκτρόνια στις ατομικές στιβάδες.

«Με αυτήν την ανακάλυψη, έχουμε πλέον μια σημαντικά βελτιωμένη πλατφόρμα υλικών για τη διερεύνηση συσχετισμένων ηλεκτρονιακών δομών. Τα δισδιάστατα υλικά είναι σαν ένα κιτ κατασκευής με κομμάτια LEGO. Οι συνεργάτες μας εργάζονται ήδη πάνω στην προσθήκη στρώσεων από άλλα δισδιάστατα υλικά για τη δημιουργία ενός νέου υλικού με προσαρμοσμένες κβαντικές ιδιότητες.»

- Chin Shen Ong από το Τμήμα Φυσικής και Αστρονομίας στην Ουψάλα

Στην επιστήμη των υλικών, υπάρχουν αμέτρητες δυνατότητες και η επιλογή του σωστού υλικού αποτελεί βασικό εμπόδιο για την κατασκευή... νέος ανακαλύψεις. Ενώ οι προβλέψεις που βασίζονται σε θεωρίες και οι επικυρώσεις που βασίζονται σε πειράματα βοηθούν στην ενημέρωση της επιλογής, παρέμεινε κατακερματισμένος.

Αυτός ο διαλογισμός στα είναι το σημείο όπου η πληροφορική υλικών που βασίζεται στην τεχνητή νοημοσύνη αναλαμβάνει την πρωτοπορία, ενσωματώνοντας γνώσεις κβαντικής κλίμακας με μεγάλα σύνολα δεδομένων για την ταχεία διαλογή, μοντελοποίηση και βελτιστοποίηση νέων υλικών που θα ήταν αδύνατο να ανακαλυφθούν μέσω συμβατικών δοκιμών και σφαλμάτων.

Μια ομάδα ερευνητών στο Πανεπιστήμιο Tohoku έχτισε ένα Κατασκευασμένο με τεχνητή νοημοσύνη χάρτης υλικών⁷ να ενοποιήσω όλα τα πειραματικά δεδομένα με αντιπροσωπευτικά υπολογιστικά δεδομένα πρώτων αρχών, με στόχο να βοηθήσει Οι ερευνητές βρίσκουν το κατάλληλο υλικό για μια δεδομένη περίσταση.

Ο χάρτης είναι ένα μεγάλο γράφημα με άξονες για δομική ομοιότητα και θερμοηλεκτρική απόδοση (zT), με κάθε σημείο δεδομένων να αντιπροσωπεύει ένα υλικό. Παρόμοιο υλικό εμφανίζεται εδώ κοντά εγγύτητα. Καθώς αυτά τα υλικά συνήθως συντίθενται και αξιολογημένος χρησιμοποιώντας παρόμοιες μεθόδους και συσκευές, ο χάρτης επιτρέπει στους πειραματιστές για τον γρήγορο εντοπισμό αναλόγων άγνωστων υλικών υψηλής απόδοσης και να επαναχρησιμοποιήσουν τα υπάρχοντα πρωτόκολλα σύνθεσης ως επόμενα βήματα.

Με αυτόν τον τρόπο, το εργαλείο μπορεί να βοηθήσει στη μείωση του κόστους ανάπτυξης και να επιταχύνει την καινοτομία και την εφαρμογή της στον πραγματικό κόσμο. Στο μέλλον, η ομάδα σχεδιάζει να επεκτείνει το πλαίσιο της πέρα ​​από τα θερμοηλεκτρικά, ώστε να συμπεριλάβει τοπολογικά και μαγνητικά υλικά και να ενσωματώσει πρόσθετους περιγραφείς για να δημιουργήσει έναν ολοκληρωμένο σχεδιασμό υλικών με τη βοήθεια της τεχνητής νοημοσύνης. πλατφόρμα υποστήριξης.

«Παρέχοντας μια διαισθητική, πανοραμική εικόνα πολλών υποψηφίων, ο χάρτης βοηθά τους ερευνητές να επιλέξουν πολλά υποσχόμενους στόχους με μια ματιά. αναμένεται να μειωθούν σημαντικά τα χρονοδιαγράμματα ανάπτυξης νέων λειτουργικών υλικών.

– Αναπληρωτής Καθηγητής Γιουσούκε Χασιμότο

Εν τω μεταξύ, μια μελέτη από το Πανεπιστήμιο του Γκέτεμποργκ ανέπτυξε ένα μοντέλο τεχνητής νοημοσύνης προς την προσδιορίζει αποτελεσματικά την αντοχή και την ανθεκτικότητα⁸ από υφαντά σύνθετα υλικά.

Διεξαγωγή φυσικών εξετάσεων και λεπτομερών προσομοιώσεις υπολογιστών ο σχεδιασμός νέων σύνθετων υλικών υψηλής ποιότητας είναι «ιδιαίτερα δύσκολος όταν το σύνθετο υλικό δημιουργειται ως υφαντό υλικό από υφαντικές ίνες, όπου οι ίνες τυλίγονται η μία γύρω από την άλλη και συμπεριφέρονται διαφορετικά ανάλογα με τις δυνάμεις που ασκούνται στο υλικό υπόκειται «», σημείωσε ο Ehsan Ghane, διδακτορικός φοιτητής στο Τμήμα Φυσικής του Πανεπιστημίου του Γκέτεμποργκ.

Ενώ οι υπολογιστές μπορούν ήδη να προσομοιώσουν ρεαλιστικές μικροδομές με βάση τις αλληλεπιδράσεις και τις επιρροές ενός υλικού, τα υφαντά σύνθετα υλικά εξακολουθούν να απαιτούν σημαντική υπολογιστικών πόρων. Τα νευρωνικά δίκτυα προσφέρουν μια εναλλακτική λύση, αλλά απαιτούν μεγάλες ποσότητες δεδομένων εκπαίδευσης και δυσκολεύονται να κάνουν παρεκβολές., έτσι η ομάδα ανέπτυξε ένα γενικευμένο μοντέλο Τεχνητής Νοημοσύνης που δεν απαιτεί τόσα πολλά δεδομένα.

Το μοντέλο έχει εκπαιδευτεί με βάση υπάρχοντα δεδομένα προσομοίωσης και δοκιμών για τα συστατικά υλικά του σύνθετου υλικού, επιτρέποντάς του να προβλέψει την ανθεκτικότητα του νέου σύνθετου υλικού..

Ενώ η μελέτη του Γκέτεμποργκ διερεύνησε μεθόδους για την ενσωμάτωση των νόμων των υλικών στο μοντέλο Τεχνητής Νοημοσύνης, μια ομάδα ερευνητών από το KAIST συνδύασε τους φυσικούς νόμους με το μοντέλο Τεχνητής Νοημοσύνης για να επιτρέψει την ταχεία εξερεύνηση νέων υλικών ακόμη και όταν τα δεδομένα είναι θορυβώδη ή περιορισμένα.

Ταυτοποίηση ακινήτου είναι μία απο τις κλειδί βήματα στην ανάπτυξη νέων υλικών, αλλά απαιτεί τεράστιες ποσότητες πειραματικά δεδομένα και ακριβός εξοπλισμός, ποια όρια αποτελεσματικότητα της έρευνας. Η ομάδα του KAIST ξεπέρασε αυτή την ανάγκη ενσωματώνοντας τους νόμους που διέπουν την παραμόρφωση και την αλληλεπίδραση υλικών και ενέργειας.

Οι ερευνητές ανέφεραν μια τεχνική νευρωνικού δικτύου βασισμένη στη φυσική (PINN)⁹ για την ανίχνευση ιδιοτήτων υλικών και συμπεριφοράς παραμόρφωσης χρησιμοποιώντας μόνο μια μικρή ποσότητα δεδομένων από ένα μόνο πείραμα. Στη συνέχεια, εισήγαγαν ένα μοντέλο τεχνητής νοημοσύνης, τον Physics-Informed Neural Operator (PINO), που κατανοεί τους νόμους της φυσικής. και μπορεί να γενικευτεί σε αόρατα υλικά.

Ερευνητές του MIT το πήραν ακόμη περισσότερο αναπτύσσοντας ένα μέθοδος που ενσωματώνει πληροφορίες από πολλαπλές πηγές¹⁰: βιβλιογραφία, χημικές συνθέσεις, εικόνες μικροδομής και άλλα. 

Είναι μέρος της νέας πλατφόρμας Copilot για Επιστήμονες Πειραματικών Επιστημών Πραγματικού Κόσμου (CRESt). Η μέθοδός τους χρησιμοποιεί ρομποτικό εξοπλισμό για να επιτρέψει δοκιμές υψηλής απόδοσης υλικών και στη συνέχεια τροφοδοτεί τα αποτελέσματα. επιστρέφουν σε μεγάλα πολυτροπικά μοντέλα για να βελτιώσουν τις συνταγές τους.

Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν αυτόν τον «βοηθό, όχι ως αντικατάσταση, για τον άνθρωπο ερευνητή».μικρό," να εξερευνήσουν πάνω από 900 χημικές ενώσεις και να διεξάγουν 3,500 ηλεκτροχημικές δοκιμές που οδήγησε στην ανακάλυψη ενός καταλυτικού υλικού που παρείχε ρεκόρ πυκνότητας ισχύος σε μια κυψέλη καυσίμου για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.

Επενδύοντας στην πρόοδο της επιστήμης των υλικών

Στον κόσμο της επιστήμης των υλικών, ATI Inc. (ATI ) είναι γνωστή για τα τεχνικά προηγμένα εξειδικευμένα υλικά και τα σύνθετα εξαρτήματά της. Η εταιρεία παράγει υλικά υψηλής απόδοσης για τις αγορές αεροδιαστημικής, άμυνας, ιατρικής, ηλεκτρονικής και ενέργειας.

Τα προϊόντα της ATI κατασκευάζονται από κράματα και υπερκράματα με βάση το νικέλιο, τιτάνιο και κράματα με βάση το τιτάνιο, καθώς και ειδικά κράματα. Λειτουργεί σε δύο τομείς:

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

Με κεφαλαιοποίηση αγοράς 13.5 δισεκατομμυρίων δολαρίων, οι μετοχές της ATI διαπραγματεύονται στα 99.37 δολάρια, σημειώνοντας άνοδο 80.5% φέτος. Έχει κέρδη ανά μετοχή (EPS) 3.10 και P/E (TTM) 32.09. Η εταιρεία καταβάλλει μερισματική απόδοση 0.32%.