افزایش سرعت تحقیقات با هوش مصنوعی؛ کشف نانومواد در ۱۲ ساعت

به گزارش تابناک به نقل از ستاد ویژه توسعه فناوری نانو، در یک دستاور قابل‌توجه در مرز‌های علم نانومواد، پژوهشگران دانشگاه ایالتی کارولینای شمالی (North Carolina State University) از توسعه آزمایشگاهی خودران خبر داده‌اند که قادر است فرآیند کشف و سنتز نانومواد را با سرعتی بی‌سابقه انجام دهد.

این سامانه که با نام «پولاریس» (PoLARIS: Perovskite Laboratory for Autonomous Reaction Inference and Synthesis) شناخته می‌شود، توانسته است تنها در یک بازه ۱۲ ساعته، نانومواد نورگسیلِ بدون سرب با درخشندگی بالا را شناسایی و بهینه‌سازی کند.

این دستاورد که نتایج آن در نشریه «نیچر کامیونیکیشنز» (Nature Communications) منتشر شده، می‌تواند به‌طور مستقیم در توسعه مواد ایمن‌تر برای کاربرد‌هایی همچون آشکارساز‌های نوری و حتی تولید سوخت از انرژی خورشیدی نقش‌آفرینی کند.

نانولایه‌ها که در این پژوهش مورد بررسی قرار گرفته‌اند، ساختار‌هایی بلوری و بسیار نازک هستند که ضخامت آنها تنها در حد چند نانومتر است. این مواد به خانواده‌ای از «پروسکایت‌های دوتایی بدون سرب» تعلق دارند؛ ترکیباتی که با تنظیم دقیق ساختار اتمی‌شان می‌توان نحوه جذب و گسیل نور را کنترل کرد.

به گفته میلاد ابوالحسنی، استاد مهندسی شیمی و زیست‌مولکولی این دانشگاه و نویسنده مسئول این پژوهش، یکی از چالش‌های اصلی در توسعه نانومواد نوری ایمن، گستردگی بی‌نهایت فضای ترکیبات شیمیایی است. او توضیح می‌دهد که پیچیدگی این مواد و دشواری فرآیند سنتز آنها باعث می‌شود بررسی تمامی ترکیب‌های ممکن از مواد اولیه، نسبت‌ها، دما‌ها و شرایط واکنش، عملاً از توان روش‌های سنتی خارج باشد.

در روش‌های مرسوم، فرآیند آزمون و خطا که توسط پژوهشگران انسانی هدایت می‌شود، ممکن است سال‌ها زمان ببرد و در نهایت تنها به کشف چند ماده امیدوارکننده منجر شود. اما آزمایشگاه پولاریس با بهره‌گیری از هوش مصنوعی، نه‌تنها این روند را به‌شدت تسریع کرده، بلکه در هر مرحله از آزمایش‌ها، داده‌های به‌دست‌آمده را تحلیل و برای بهینه‌سازی مراحل بعدی استفاده می‌کند.

در این فرآیند، پژوهشگران ابتدا مواد اولیه و هدف موردنظر را تعیین می‌کنند؛ در این مطالعه، هدف دستیابی به نانولایه‌های بدون فلزات سنگین با بیشترین شدت نورگسیلی بوده است. سپس پولاریس مجموعه‌ای از «دستورالعمل‌های سنتز» را اجرا می‌کند که در آنها متغیر‌هایی مانند مقدار مواد اولیه، دما و زمان واکنش تغییر داده می‌شوند.

هر آزمایش در قالب یک قطره بسیار کوچک در حال جریان انجام می‌شود که به‌عنوان یک راکتور مینیاتوری عمل می‌کند. نتایج هر واکنش به‌صورت خودکار تحلیل شده و به سامانه هوش مصنوعی بازخورد داده می‌شود تا در دور بعدی آزمایش‌ها، شرایط بهینه‌تری انتخاب شود.

در طول تنها ۱۲ ساعت، این سامانه موفق شد ۱۲۰ آزمایش مختلف را اجرا کرده و در نهایت بهترین ترکیب از نانومواد ایمن با بیشترین درخشندگی را شناسایی کند.

ابوالحسنی در تشریح اهمیت این سامانه تأکید می‌کند که پولاریس صرفاً ابزاری برای تسریع آزمون و خطا نیست، بلکه با یادگیری از هر آزمایش، نقشه‌ای از ارتباط میان ترکیب شیمیایی، دما و عملکرد مواد ترسیم می‌کند. این ویژگی به پژوهشگران امکان می‌دهد نه‌تنها به پاسخ برسند، بلکه دلیل موفقیت آن پاسخ را نیز درک کنند.

به گفته وی ارزش علمی چنین سامانه‌هایی زمانی به‌طور چشمگیر افزایش می‌یابد که علاوه بر ارائه پاسخ، بتوانند توضیح دهند چرا آن پاسخ درست است؛ قابلیتی که پولاریس به‌خوبی از آن برخوردار است.

از دیگر مزیت‌های این فناوری، قابلیت مقیاس‌پذیری آن است. پولاریس نه‌تنها قادر به کشف مواد بهینه است، بلکه می‌تواند پس از شناسایی بهترین ترکیب، به‌صورت پیوسته همان ماده را تولید کند. این ویژگی، آن را به ترکیبی از یک «مسیریاب هوشمند» در دنیای شیمی و یک «کارخانه کوچک تولید مواد» تبدیل کرده است.

پژوهشگران معتقدند چنین آزمایشگاه‌های خودرانی می‌توانند نقش کلیدی در توسعه نسل آینده فناوری‌ها، به‌ویژه در حوزه انرژی، الکترونیک و پایداری ایفا کنند. بسیاری از موادی که برای آینده این حوزه‌ها مورد نیاز هستند، به‌قدری پیچیده‌اند که بهینه‌سازی آنها صرفاً بر پایه شهود انسانی امکان‌پذیر نیست.

در این میان، همکاری میان انسان، هوش مصنوعی و سامانه‌های رباتیک، مسیری نوین برای تسریع کشف‌های علمی و دستیابی به درکی عمیق‌تر از فرآیند‌های پیچیده فراهم می‌کند؛ مسیری که حالا با ظهور سامانه‌هایی مانند پولاریس، بیش از هر زمان دیگری در دسترس قرار گرفته است.