Ученые раскрыли 100-летнюю тайну кристалла: какие устройства станут от этого эффективнее
Исследователи из Columbia Engineering обучили искусственный интеллект (ИИ) воссоздавать атомную структуру из фрагментов нанокристаллов. Это может усовершенствовать работу батарей следующего поколения.
Об этом сообщает interestingengineering.com.
Проблема состояла в том, что больше ста лет специалисты полагались на кристаллографию (анализ рентгеновских дифракционных картин), а этот метод был эффективен лишь для работы с большими кристаллами. В случае, когда доступными были только крошечные нанокристаллы, метод не работал.
Однако теперь з этим пробелом справился ИИ.
«Как ChatGPT изучает закономерности языка, модель ИИ изучила закономерности расположения атомов, которые допускает природа», – пояснил профессор материаловедения, прикладной физики и прикладной математики Columbia Engineering Саймон Биллиндж.
Почему кристаллография не работает
Традиционные методы рентгеновской дифракции полагаются на чистые, крупные кристаллы для создания четких дифракционных картин, богатых атомной информацией. Когда в распоряжении исследователей есть только порошки или суспензии нанокристаллов, картина становится слишком деформированной. С этим недостатком сталкивались разны области, где работа идёт в основной с небольшими образцами, – от разработки лекарств до археологии.
Команда Колумбийского университета обратилась к диффузионному генеративному моделированию, методу ИИ, популяризированному такими генераторами изображений, как Midjourney и Sora. Они обучили свою модель на наборе данных 40 тыс. известных атомных структур. При этом порядок структур намеренно перемешали, чтобы научить ИИ, как создавать осмысленный порядок из хаоса.
В процессе обучения ИИ научился сопоставлять плохо разрешенные дифракционные данные с наиболее вероятными атомными расположениями, наблюдая бесчисленные кристаллические структуры на протяжении всего обучения и реконструкции фигур.
Эти конструкции были дополнительно отшлифованы в процессе, называемом уточнением Ритвельда, который более точно сопоставил их с данными дифракции.
Кристаллография как мостик между поколениями
«Проблема порошковой кристаллографии — это родственная проблема знаменитой проблемы сворачивания белка, где форма молекулы выводится косвенно из линейной сигнатуры данных», — сказал Ход Липсон, который вместе с Саймоном Биллинджем предложил исследование.
Для Дипсона проект имеет особое значение – ведь дед Хода Липсона Генри Липсон стоял у истоков вычислительной кристаллографии почти столетие назад.
«Что меня особенно волнует, так это то, что при относительно небольших базовых знаниях в области физики или геометрии ИИ смог научиться решать головоломку, которая ставила в тупик исследователей-людей на протяжении столетия», – подчеркнул Ход Липсон.
Также Фокус писал, что исследователи из университета штата Орегон обнаружили новые кристаллы, которые могут хранить информацию, записанную исключительно с помощью света.
Ранее стало известно, что нанокристаллы, расположенные внутри некоторых древнейших пород, могут поведать историю возникновения жизни на Земле.