「尋找財犬」天天送餐券!
2020-06-29 16:21:29聖天使

AI化學家誕生:1天可做500個實驗,自主開發新材料



[文丨學術頭條]

近日,來自北卡羅萊納州立大學和布法羅大學的研究人員開發了一項名為“人工化學家”的技術,該技術結合了人工智能(AI)和執行化學反應的自動化系統,以加速研發和生產商業所需的新化學材料。


以往的人工智能大部分生活在硬盤和內存里,人工化學家則突破了“次元壁”,能直接將自己的“想法”在現實世界中通過物理手段來驗證。


“人工化學家就像一個真正的自主導航系統,在紛繁複雜的化學宇宙里穿梭。”論文通訊作者、北卡羅萊納州立大學化學和生物分子工程學的助理教授 Abolhasani 給了人工化學家的工作過程一個生動的比喻。


強大的人工化學家


在基於概念推論進行實驗驗證的過程中,研究人員發現,人工化學家可以在最多 15 分鐘內識別並生成任何顏色的可能的最佳量子點。


量子點又稱為半導體熒光納米晶,主要是由 II-VI 族元素(如CdS、CdSe、CdTe、ZnSe等)和 III-V 族元素(如 InP、InAs 等)組 成的納米顆粒,粒徑一般小於 20 納米。由於具有尺寸限域、量子限域等多個效應,展現出許多不同於宏觀物質的光學及物理特性,因而在光學、電學、磁介質、催化、醫藥、生命科學、功能材料等領域具有極為廣闊的應用前景。


量子點由於電子-空穴被量子限域,連續的能帶結構變成具有分子特性的分立能級結構,受激後可以發射不同波長的熒光,並具有獨特優異的發光特性,因而成為新一代熒光材料。





不僅如此,隨後研究人員指出,人工化學家可以識別出滿足任何已知屬性的最佳材料——而不僅僅是量子點。

就目前來說,人工化學是為溶液處理材料設計的,這意味着它適用於尋找那些可以使用液體化學前體製造的材料。溶液處理材料包括量子點、金屬/金屬氧化物納米顆粒、金屬有機骨架(MOFs)等高價值材料。


“人工化學家類似於自動駕駛汽車,但自動駕駛汽車至少有有限的路線可供選擇,以便到達預先選定的目的地。而使用人工化學家時,你只用提供給他一組代表着材料屬性的參數。”Abolhasani 補充道。

輸入參數後,人工化學家可以自己判定出所需要的的其他數據,比如:化學前體是什麼,以及合成路線是什麼,並且能在自主探索的同時,盡量減少這些化學前體的消耗。


Abolhasani 表示:“研究的最終理想結果就是能探究出一種完全自主的材料開發技術,這種技術不僅能幫助你最快地找到理想的液體化學材料,而且還能儘可能少地消耗化學前體。這大大減少了浪費,也大大降低了材料開發過程的成本。”


AI 大腦+自動化身體


值得一提的是,這位人工化學家不僅有一個執行實驗並感知實驗結果的“本體”,還有一個記錄數據並利用它來決定下一個實驗是什麼的“大腦”。


為了進行概念驗證測試,人工化學家’的身體整合了實驗室開發的自動化納米晶體工廠和納米流體合成平台。人工化學家平台已經證明它每天可以進行 500 個量子點合成實驗,儘管 Abolhasani 估計它實際上可以進行 1000 個。


人工化學家的大腦是一個 AI 程序,它通過識別和探索本體正在合成的材料形成獨特的數據,並利用這些數據對下一組的實驗條件做出自主決定。它是基於在滿足材料的期望屬性和性能指標的基礎之上,決定如何最快最有效的探究出最佳材料的組成結構。





“我們試圖模仿人類做決定的過程,但事實上,人工化學家的決定過程更有效率。”Abolhasani 表示。

例如,人工化學家可以進行“知識迭代”過程,這意味着它存儲了它收到的每個請求所生成的數據,從而加快識別下一個候選材料的過程。換句話說,隨着時間的推移,人工化學家在識別正確的化學物質時將會變得越來越高效。


為了證明他們的推論,研究人員測試了人工智能如何使用數據來決定下一個實驗是什麼。然後,他們進行了一系列的請求,每次都要求人工化學家識別出最適合三個不同輸出參數的量子點材料。


“我們發現,即使人工化學家沒有先驗知識,它也能在 25 個實驗後或大約一個半小時內識別出最好的量子點,”Abolhasani 說:“但一旦人工化學家有了先驗知識——這意味着它已經處理了一個或多個目標材料請求——它就能在 10 到 15 分鐘內確定具有新特性的最佳材料。”


“我們發現,人工化學家還可以快速識別給定一組起始化學前體的材料性質邊界,這樣化學家和材料科學家就不需要浪費時間探索不同的合成條件。

“我相信由人工化學家實現的自主材料研發可以重塑材料開發和製造的未來,”Abolhasani 說,“我現在正在尋找合作夥伴,幫助我們將這項技術從實驗室轉移到工業市場。”---(鈦媒體)


資料來源:

https://news.ncsu.edu/2020/06/artificial-chemist/

Robert W. Epps, Michael S. Bowen, Amanda A. Volk, Kameel Abdel‐Latif, Suyong Han, Kristofer G. Reyes, Aram Amassian, Milad Abolhasani. Artificial Chemist: An Autonomous Quantum Dot Synthesis Bot. Advanced Materials, 2020; 2001626 DOI: 10.1002/adma.202001626



*[動科普|聽,來自黑洞的“美妙心跳”]*


十幾年前,天文學家們首次觀測到了來自一個超大質量黑洞的X射線准周期震蕩信號;十幾年後,當天文學家們再次有機會觀測這個黑洞時,驚喜地發現這個信號仍在持續!




這個特殊的黑洞名為REJ1034+396,是一個距離地球6億光年,具有2百萬個太陽質量的超大質量黑洞。2007年,天文學家們首次發現這個黑洞的X射線輻射里存在一個一小時左右的周期性震蕩信號。2011年後,由於該黑洞的視線方向離太陽太近,導致衛星無法持續觀測,天文學家們不得不停止對其心跳信號的監測。


直到2018年,天文學家們使用XMM-牛頓衛星、“核光譜望遠鏡陣列(NuSTAR)”衛星和“雨燕(Swift)”衛星重啟了對這個黑洞的聯合觀測。結果表明,RE J1034+396的X射線震蕩信號仍然存在,並且比10年前更強!




這是目前觀測到的持續時間最長的超大質量黑洞的心跳信號,首次證明了來自超大質量黑洞的這類周期性信號可以長期保持穩定。科學家們猜測它源自黑洞視界附近高溫物質的周期性結構變化過程。





目前已知的一個能夠產生類似心跳信號的黑洞,是一個位於銀河系旋臂內,被稱為GRS 1915+105的小黑洞。不過,它的質量僅為12個太陽質量,正快速地從其旁邊的一顆恆星吸收物質,並以67赫茲左右的“心率”產生X射線心跳信號。對比研究發現,儘管有數十萬倍質量和大小的差別,兩個黑洞卻能在一些特殊行為上表現高度相似。




實際上,宇宙中存在大量具有幾十萬至上百億個太陽質量的黑洞,漂浮在星際空間中的物質會被黑洞引力所俘獲。在逐漸落入黑洞的過程中,會形成一個圓盤狀的結構,並在黑洞周圍很小的空間里釋放大量的能量,產生很強的X射線輻射。這種X射線輻射的周期性重複信號,攜帶了關於黑洞視界附近的物質尺度和結構的關鍵信息,具有極高的研究價值,卻極少被發現。






也因此,REJ1034+396為天文學家們提供了深入研究該心跳信號的物理機制和起源的重要線索和絕佳機會。這個黑洞也可以成為我國下一代X射線天文衛星的重要觀測目標之一。

本視頻基於最新科學研究進展製作,論文:Jin C., Done C., Ward M., 2020, MNRAS, 495, 3538

[科學審核:金馳川*策  劃:宋雅娟*制  作:徐倩陽 肖春芳/責任編輯: 趙宇豪*光明網]



*[為了“拯救”銀心物質,磁場和黑洞“打了一架”]*





[天聞頻道/實習記者 於紫月]

眾所周知,黑洞能夠吞噬附近的一切事物,包括光。然而銀河系中心的黑洞貌似遇到了“對手”。

近期在美國天文學會的一次會議上,一項最新公布的研究表明,銀河系中心附近的磁場強大到能夠阻礙黑洞周圍的物質被吞噬。這一研究結果或將有助於解答長期以來籠罩在銀河系相關研究領域的兩大謎團,即為何銀河系中心黑洞相對“安靜”,以及為何銀河系核心區域新恆星“低產”。




阻礙黑洞吞噬,抑制恆星誕生

如果有幸觀測到正在“進食”的黑洞,你就會發現,其實黑洞周圍並非是漆黑一片,而是環繞着明亮的吸積盤,並不時噴射出一股股噴流,照亮周圍很大一片區域。

事實上,這些光並非是從黑洞中逃逸而出,而是吸積盤內物質以極快的速度落入黑洞,物質之間的摩擦使它們被加熱至數十億攝氏度,從而發出的輻射。


通常來講,星系中心的物質密度往往比宇宙中其他區域密度更高,所以星系中心黑洞擁有着更充足的“糧食儲備”,應該很活躍、明亮。然而,實際觀測結果卻並非如此。事實上,我們觀測到的大部分星系中心的黑洞都處於相對“安靜”的狀態,暗淡無光,吞噬物質的“積極性”很低。銀河系中心黑洞便是其中之一。


為何會如此?此次發布新成果的研究團隊認為,他們在銀河系中心觀測到的磁場或許能夠解答這一疑問。

“銀河系中心黑洞仍有一些問題無法單靠引力來解釋。”美國哥倫比亞大學空間研究協會主任瓊·施梅爾茲說,“磁場可能有助於解開這些謎團。”

漫漫宇宙中充斥着大量帶電粒子,如等離子體等。這些粒子的運動可以看成是電荷的運動,導致電場發生變化從而產生磁場。


“星際空間中普遍存在磁場,星系中心恆星密度往往較高,空間環境較為複雜,因此星系中心的磁場可能強度更高、性質更複雜。”中國科學院國家天文台研究員陸由俊在接受科技日報記者採訪時表示。


他進一步解釋道,銀河系中心的巨大磁場會給周圍的等離子體等帶電粒子施加一種壓力,即磁壓。黑洞引力作用下,氣體“奔赴”黑洞的過程中也許會受到磁壓影響,到達黑洞附近的氣體物質就會比預期要少很多,從而使黑洞“安靜”下來。


“同理,恆星形成的初期往往需要相對高密度的氣體,而在磁壓的作用下,坍縮的氣體有可能被‘拽住’,造成了銀河系中心區域的新恆星產量低下。”陸由俊說。

在他看來,用磁場去解釋這些銀河系謎團,目前還是研究人員的一種推測。究竟真相如何,還需要更多、更系統的觀測數據作為支撐。




“飛翔中的天文台”帶來磁場詳細信息

黑洞能夠通過吸積盤、噴流等現象觀測到,但是磁場本身看不見摸不着,此次研究人員又是如何觀測到銀河系中心的磁場的?


陸由俊告訴記者,可以通過望遠鏡接收到的光子找出其發射處或所經過空間磁場的蛛絲馬跡。比如,星際塵埃粒子會受外磁場的影響從而發出帶有磁場信息的光子;又或者,光子通過磁場時會產生一些特殊效應,比如法拉第旋轉,光子的偏振振動方向因磁場產生偏轉。研究人員便可從觀測數據中抽絲剝繭,計算、模擬出光子發射處或經過空間的磁場特性。




此次研究人員利用的是有“飛翔中的天文台”美譽的索菲亞天文台,這是一架被裝載在飛機上的紅外望遠鏡。

天文觀測中紅外波段十分重要,但是地球大氣層的各種成分能夠將攜帶天體信息的紅外線吸收或散射掉。為了避免這一問題,索菲亞天文台將飛機拉升至平流層,如此高度下,絕大部分氣體和水汽產生的干擾都將消失殆盡,所以其獲得的紅外波段觀測效果要遠遠優於地面望遠鏡。


近年來,索菲亞天文台還裝載了高分辨率機載寬帶相機(HAWC+),研究人員就是利用這套先進設備對銀河系中的塵埃顆粒進行觀測,從而繪製出銀河系中心的詳細“地圖”,展示黑洞周圍不可見的磁場行為。


“這些觀測結果為我們提供了迄今為止有關銀河系中心黑洞周圍磁場的最詳細數據。”該項研究合作者之一、美國維拉諾瓦大學研究人員大衛·舒斯表示,HAWC+的分辨率以及靈敏度等性能參數都比較高,未來將會幫助人類破解更多銀河系的奧秘。---(光明網)


我要回應(本篇僅限會員/好友回應,請先登入)