Университет Иллинойса в Урбане-Шампейне. Исследователи использовали искусственный интеллект для повышения фотостабильности молекул для использования в солнечной энергетике, добившись создания молекул, в четыре раза более стабильных, чем предыдущие.
Их новый подход включал в себя эксперименты с замкнутым циклом, управляемые искусственным интеллектом, и автоматизированный химический синтез для раскрытия основных химических принципов стабильности, предлагая новые идеи в области молекулярной разработки органических солнечных элементов.
Искусственный интеллект — мощный инструмент для исследователей, но с существенным ограничением: невозможность объяснить, как он пришел к своим решениям, проблема, известная как «черный ящик ИИ». Объединив ИИ с автоматизированным химическим синтезом и экспериментальной проверкой, междисциплинарная группа исследователей из Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне открыла черный ящик, чтобы найти химические принципы, на которые опирался ИИ для улучшения молекул для сбора солнечной энергии.
Искусственный интеллект — мощный инструмент для исследователей, но с существенным ограничением: невозможность объяснить, как он пришел к своим решениям, проблема, известная как «черный ящик ИИ». Объединив ИИ с автоматизированным химическим синтезом и экспериментальной проверкой, междисциплинарная группа исследователей из Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне открыла черный ящик, чтобы найти химические принципы, на которые опирался ИИ для улучшения молекул для сбора солнечной энергии.
Достижения в области стабильности молекул, собирающих свет
В результате были получены молекулы, собирающие свет, в четыре раза более стабильные, чем исходная точка, а также принципиально новые сведения о том, что делает их стабильными — химический вопрос, который застопорил разработку материалов.
Междисциплинарная группа исследователей была совместно возглавлена профессором химии U. of I. Мартином Берком, профессором химической и биомолекулярной инженерии Ин Дяо, профессором химии Николасом Джексоном и профессором материаловедения и инженерии Чарльзом Шредером в сотрудничестве с профессором химии University of Toronto Аланом Аспуру-Гузиком. Они опубликовали свои результаты сегодня (28 августа) в журнале Nature .
Междисциплинарная группа исследователей была совместно возглавлена профессором химии U. of I. Мартином Берком, профессором химической и биомолекулярной инженерии Ин Дяо, профессором химии Николасом Джексоном и профессором материаловедения и инженерии Чарльзом Шредером в сотрудничестве с профессором химии University of Toronto Аланом Аспуру-Гузиком. Они опубликовали свои результаты сегодня (28 августа) в журнале Nature .
«Новые инструменты ИИ обладают невероятной мощью. Но если вы попытаетесь открыть капот и понять, что они делают, вы обычно останетесь ни с чем полезным», — сказал Джексон. «Для химии это может быть очень неприятно. ИИ может помочь нам оптимизировать молекулу, но он не может сказать нам, почему это оптимально — каковы важные свойства, структуры и функции? Благодаря нашему процессу мы определили, что придает этим молекулам большую фотостабильность. Мы превратили черный ящик ИИ в прозрачный стеклянный шар».
Решение проблемы фотостабильности с помощью экспериментов с замкнутым циклом
Исследователи задались вопросом, как усовершенствовать органические солнечные элементы, которые основаны на тонких, гибких материалах, в отличие от жестких, тяжелых панелей на основе кремния, которые сейчас усеивают крыши и поля.
«Что мешает коммерциализации органической фотовольтаики, так это проблемы со стабильностью. Высокопроизводительные материалы деградируют под воздействием света, а это не то, что нужно для солнечной батареи», — сказал Диао. «Их можно изготавливать и устанавливать способами, которые невозможны с кремнием, и они также могут преобразовывать тепло и инфракрасное излучение в энергию, но стабильность является проблемой с 1980-х годов».
Ускорение открытий с помощью модульной химии и искусственного интеллекта
Метод Иллинойса, называемый «переносом в замкнутом цикле», начинается с протокола оптимизации под руководством ИИ, называемого экспериментированием в замкнутом цикле. Исследователи попросили ИИ оптимизировать фотостабильность молекул, собирающих свет, сказал Шредер. Алгоритм ИИ предоставил предложения о том, какие виды химикатов синтезировать и исследовать в нескольких раундах синтеза в замкнутом цикле и экспериментальной характеристики. После каждого раунда новые данные были включены обратно в модель, которая затем предоставила улучшенные предложения, причем каждый раунд приближался к желаемому результату.
Исследователи создали 30 новых химических кандидатов в течение пяти раундов экспериментов с замкнутым циклом благодаря химии строительных блоков и автоматизированному синтезу, впервые разработанным группой Берка. Работа была выполнена в лаборатории Molecule Maker Lab, расположенной в Институте передовой науки и технологий Бекмана в Университете Иллинойса.
Исследователи создали 30 новых химических кандидатов в течение пяти раундов экспериментов с замкнутым циклом благодаря химии строительных блоков и автоматизированному синтезу, впервые разработанным группой Берка. Работа была выполнена в лаборатории Molecule Maker Lab, расположенной в Институте передовой науки и технологий Бекмана в Университете Иллинойса.
«Подход модульной химии прекрасно дополняет замкнутый цикл эксперимента. Алгоритм ИИ запрашивает новые данные с максимальным потенциалом обучения, а автоматизированная платформа синтеза молекул может очень быстро генерировать новые требуемые соединения. Затем эти соединения тестируются, данные возвращаются в модель, и модель становится умнее — снова и снова», — сказал Берк, который также является профессором в Медицинском колледже Карла Иллинойса. «До сих пор мы были в основном сосредоточены на структуре. Теперь наш автоматизированный модульный синтез перешел в сферу исследования функции»
Раскрытие секретов молекулярной стабильности
Вместо того чтобы просто завершить запрос конечными продуктами, выделенными ИИ, как в типичной кампании под руководством ИИ, процесс передачи по замкнутому циклу был направлен на то, чтобы раскрыть скрытые правила, которые сделали новые молекулы более стабильными.
Джексон сказал, что по мере проведения эксперимента с замкнутым циклом другой набор алгоритмов непрерывно следил за созданными молекулами, разрабатывая модели химических свойств, предсказывающих стабильность на свету. После завершения эксперимента модели предоставили новые гипотезы, поддающиеся лабораторной проверке.
Джексон сказал, что по мере проведения эксперимента с замкнутым циклом другой набор алгоритмов непрерывно следил за созданными молекулами, разрабатывая модели химических свойств, предсказывающих стабильность на свету. После завершения эксперимента модели предоставили новые гипотезы, поддающиеся лабораторной проверке.
«Мы используем ИИ для генерации гипотез, которые мы можем проверить, чтобы затем запустить новые кампании по исследованию, проводимые людьми», — сказал Джексон. «Теперь, когда у нас есть некоторые физические дескрипторы того, что делает молекулы фотостабильными, это делает процесс скрининга новых химических кандидатов значительно проще, чем слепой поиск в химическом пространстве».
Чтобы проверить свою гипотезу о фотостабильности, ученые изучили три структурно различные молекулы, собирающие свет, с определенным химическим свойством, которое они определили — определенной высокоэнергетической областью, — и подтвердили, что выбор правильных растворителей сделал молекулы в четыре раза более светостабильными.
«Это доказательство принципа того, что можно сделать. Мы уверены, что сможем обратиться к другим материальным системам, и возможности ограничены только нашим воображением. В конечном итоге мы представляем себе интерфейс, в котором исследователи могут вводить желаемую химическую функцию, а ИИ будет генерировать гипотезы для проверки», — сказал Шредер. «Эта работа могла быть реализована только с помощью многопрофильной команды, людей, ресурсов и объектов, которые у нас есть в Иллинойсе, и нашего коллеги в Торонто. Пять групп объединились, чтобы создать новое научное понимание, которое было бы невозможно, если бы любая из подгрупп работала изолированно».
Источник: Scitechdaily | Теги: искусственный интеллект, химия, солнечные панели