Космос под ногами: спецпроект Naked Science о космонавтике и «трудной» нефти
Читать
  • Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
08.12.2022
Сколтех
2 043

Ученые устроили батл между алгоритмами искусственного интеллекта для оптимизации синтеза графеновых нанотрубок

4.6

Международная команда во главе с учеными из Сколтеха выявила лучший алгоритм искусственного интеллекта для определения оптимальных условий синтеза, при которых получаются углеродные нанотрубки со свойствами, заточенными под конкретные приложения: лазеры, датчики для экологического мониторинга, системы доставки лекарственных препаратов, технологии водородной энергетики.

Батл ИИ: искусственные нейросети оказались эффективнее других алгоритмов искусственного интеллекта для оптимизации синтеза углеродных нанотрубок с желаемыми свойствами / ©Павел Одинёв/Сколтех

Исследование опубликовано в журнале Carbon. Если графен можно себе представить как слой углерода толщиной в один атом с кристаллической решеткой в виде сетки шестиугольных сот, то одностенная углеродная нанотрубка — это то, что получится, если свернуть лист графена в цилиндр, хотя в реальности их получают иначе.

«Наша работа связана с возможностями тонкой настройки свойств углеродных нанотрубок, — прокомментировал исследование его первый автор, старший научный сотрудник Сколтеха Дмитрий Красников. — Благодаря своим исключительным свойствам, углеродные нанотрубки применяются сразу во многих областях, от систем прицельной доставки лекарств в организме в пораженные болезнью ткани до устройств для поглощения атмосферного углекислого газа в целях противодействия глобальному потеплению. И только применительно к конкретному приложению можно говорить о неких оптимальных свойствах материала. Взять, например, структурные дефекты нанотрубок: в электронике они вредны, а в водородной энергетике — необходимы».

Чтобы изготовить нанотрубки с желаемыми свойствами, необходимо понимать, какие характеристики меняются — и каким образом — при корректировке тех или иных параметров синтеза. «Этих параметров десятки: температура, количество и состав катализатора, состав газа, время пребывания в реакторе, геометрия реактора и так далее — все это вместе определяет свойства конечного продукта. Сложное взаимодействие параметров делает оптимизацию синтеза одной из тех задач, которые продуктивно решать с использованием искусственного интеллекта, — пояснил руководитель исследования, профессор Сколтеха Альберт Насибулин. — В нашей статье, в частности, показано, какие алгоритмы ИИ лучше всего оптимизируют параметры аэрозольного синтеза».

Аэрозольный синтез — один из распространенных способов получения углеродных нанотрубок. В реактор подаются вещество — предшественник катализатора и содержащий углерод газ. От нагрева они разлагаются с выделением каталитических частиц и углерода, который кристаллизуется в нанотрубки.

В исследовании варьировались три условия синтеза и рассматривалось их влияние на четыре характеристики нанотрубок. Оптимизацию проводили несколькими конкурирующими моделями. «Мы провели своего рода „конкурс“, заставив наиболее популярные модели машинного обучения соревноваться друг с другом — и искусственные нейронные сети победили, — резюмировал Красников.

— Эти сложные многослойные модели оказались значительно впереди в предсказании сложных характеристик углеродных нанотрубок, таких как их оптоэлектрические свойства. Что касается характеристик попроще, например диаметра трубки, искусственные нейросети тоже на первом месте, но здесь линейная регрессия и другие более простые модели уже не столь сильно проигрывают».

Исследование проведено на небольшом датасете, без привлечения внешних данных, и задумано как первый этап более масштабного проекта. С одной стороны, работа показывает, что даже на 250 элементах данных оказалось возможным делать весьма точные предсказания. С другой стороны, учёные рассматривают ее как шаг на пути к созданию в Сколтехе “умного” (самообучающегося) реактора, который будет производить углеродные нанотрубки с заранее заданными свойствами, причем делать это с каждым разом более эффективно. По мере продолжения работы датасет будет расти и можно будет оптимизировать более широкий набор условий синтеза и задавать больше целевых свойств материала.

В конечном итоге умный реактор должен стать универсальным решением для настройки параметров синтеза одностенных углеродных нанотрубок, которые будут изготавливаться с тонкой настройкой свойств, необходимых для конкретных приложений в медицине, производстве сенсоров и лазеров, водородной энергетике, улавливании атмосферного углерода и так далее. 

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Сколковский институт науки и технологий — негосударственный технологический университет, расположенный в инновационном центре Сколково. Институт был создан в 2011 году при поддержке Массачусетского технологического института. Модель института предусматривает тесную интеграцию технологического образования, исследовательской работы и предпринимательских навыков. Институт ведёт обучение по программам магистратуры и PhD, рабочий язык — английский.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
Вчера, 11:09
Сергей Васильев

Венерины мухоловки регистрируют до пяти стимуляций чувствительных волосков, чтобы захлопнуть свою ловушку и начать переваривание. Но уникальный мутант Dyscalculia не может «считать» даже до двух. Ученые показали, что это связано с нарушением восприятия ионов кальция.

Вчера, 16:24
Анна Новиковская

Сегодня популяции многих видов пчел в упадке, и британские исследователи предложили еще один способ спасти этих насекомых: превратить часть кирпичей в стенах домов в «мини-ульи».

Позавчера, 17:19
Александр Березин

Игру 2013 года и выходящий с января 2023 года сериал по ней часто принимают за научную фантастику. То есть произведение, основанное на предположениях, не противоречащих науке. Однако вряд ли дело обстоит таким образом. Проблема в том, что создатели мира The Last of Us слишком некритично подошли как к научному фундаменту, на котором основан их мир постапокалипсиса, так и к тому, что думает наука о самой реальности «постапов». Naked Science пробует разобраться в деталях.

Вчера, 11:09
Сергей Васильев

Венерины мухоловки регистрируют до пяти стимуляций чувствительных волосков, чтобы захлопнуть свою ловушку и начать переваривание. Но уникальный мутант Dyscalculia не может «считать» даже до двух. Ученые показали, что это связано с нарушением восприятия ионов кальция.

Вчера, 16:24
Анна Новиковская

Сегодня популяции многих видов пчел в упадке, и британские исследователи предложили еще один способ спасти этих насекомых: превратить часть кирпичей в стенах домов в «мини-ульи».

Позавчера, 17:19
Александр Березин

Игру 2013 года и выходящий с января 2023 года сериал по ней часто принимают за научную фантастику. То есть произведение, основанное на предположениях, не противоречащих науке. Однако вряд ли дело обстоит таким образом. Проблема в том, что создатели мира The Last of Us слишком некритично подошли как к научному фундаменту, на котором основан их мир постапокалипсиса, так и к тому, что думает наука о самой реальности «постапов». Naked Science пробует разобраться в деталях.

10 января
Алиса Гаджиева

Исследователи, изучающие систему обороны Великой стены, обнаружили следы более 130 секретных сквозных проходов и полагают, что это только начало.

25 января
Василий Парфенов

Пока фанаты SpaceX увлеченно следят за достижениями компании, астрономы грустно наблюдают, как их работа становится сложнее с каждым запуском спутников Starlink. Прогресс не проходит без жертв. Поэтому различные научные ассоциации ищут способы снизить негативное влияние множества новых рукотворных объектов в околоземном пространстве на качество данных, получаемых телескопами. Некоторые решения со стороны выглядят экстремальными — например, теперь лазеры для корректировки адаптивной оптики можно не выключать, если в поле зрения есть спутник Starlink. А это десятки ватт излучения!

5 января
Александра Медведева

Биологи показали, что нейронные сети гиппокампа, ответственные за пространственное восприятие, изменяются не линейным образом, а в соответствии с гиперболической геометрией. То есть мозг представляет пространство в форме расширяющихся песочных часов. Результаты исследования могут иметь значение для лучшего понимания различных нейродегенеративных расстройств.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: