Штучний інтелект і рух атомів у наночастинках?

Світ науки зробив крок уперед завдяки новій технології, яка дозволяє вченим уперше спостерігати за рухом атомів у наночастинках у реальному часі. Цей прорив став можливим завдяки інтеграції штучного інтелекту з електронною мікроскопією, що відкриває нові можливості для дослідження динамічних перетворень на атомному рівні. Результати цього дослідження, опубліковані в журналі Science, можуть кардинально змінити підходи до розробки матеріалів, фармацевтичних препаратів та технологій у сфері електроніки й енергетики.

Наночастинки — це мікроскопічні об’єкти розміром у мільярдні частки метра, які відіграють ключову роль у сучасних технологіях. Вони є основою каталітичних систем, що використовуються в 90% усіх промислових продуктів — від палива до ліків. Однак до цього часу вчені стикалися з проблемою: шум, який виникає під час швидкісного знімання електронним мікроскопом, приховував найдрібніші деталі поведінки цих частинок. Нова методика, розроблена міжнародною командою дослідників, усуває цю перешкоду, дозволяючи бачити, як саме наночастинки змінюють свою структуру та реагують на зовнішні умови.

«Каталітичні системи на основі наночастинок мають величезний вплив на суспільство,» зазначає Карлос Фернандес-Гранда, директор Центру даних Нью-Йоркського університету та один із авторів дослідження. «Ми створили метод на основі штучного інтелекту, який відкриває нове вікно для дослідження структурної динаміки матеріалів на атомному рівні.» Ця технологія не лише розкриває приховані процеси, а й дає змогу прогнозувати поведінку матеріалів у реальних умовах, що може прискорити інновації в промислових процесах.

Методика поєднує можливості електронної мікроскопії з потужністю штучного інтелекту. Електронні мікроскопи здатні фіксувати зображення з надзвичайно високою роздільною здатністю, показуючи окремі атоми. Проте швидкість, з якою наночастинки змінюються під час хімічних реакцій, змушує дослідників прискорювати процес знімання, що призводить до значного рівня шуму в даних. «Щоб зрозуміти функціональність наночастинок, нам потрібні дані, зібрані з високою швидкістю,» пояснює Пітер Крозіер, професор матеріалознавства та інженерії Університету штату Аризона, співавтор статті. «Ми розробили ШІ-метод, який автоматично усуває цей шум, дозволяючи чітко бачити ключові атомні зміни.»

У дослідженні взяли участь науковці з Університету штату Аризона, Корнельського університету та Університету Айови. Їхня співпраця дала змогу створити систему, яка не лише фіксує зображення на рівні мільярдних часток метра, а й аналізує їх у реальному часі. Для цього команда використала глибокі нейронні мережі — обчислювальний механізм ШІ, який «освітлює» шумні зображення, отримані мікроскопом, і розкриває приховану структуру та рух атомів. «Це як знімати відео вночі старою камерою, де об’єкти ледве видно. Наш ШІ вмикає світло й показує, що відбувається,» додає Крозіер.

Спостереження за рухом атомів у наночастинках має вирішальне значення для розуміння їхньої поведінки в промислових застосуваннях, таких як каталіз чи створення нових матеріалів. Однак досі вчені могли лише здогадуватися про ці процеси через низьку якість даних. Нова технологія вирішує цю проблему, пропонуючи чітке зображення динамічних змін — від швидких перебудов атомної структури до змін форми чи орієнтації частинок. «Різноманітність змін у наночастинках вражає, і для їхнього аналізу потрібні нові статистичні інструменти,» зазначає Девід Меттесон, професор Корнельського університету та співавтор роботи. «Ми впровадили новий статистичний підхід, який використовує топологічний аналіз даних, щоб кількісно оцінити ці зміни та відстежувати стабільність частинок під час переходу між станами.»

Цей прорив має далекосяжні наслідки. У фармацевтиці він може допомогти розробити ефективніші ліки, у електроніці — створити досконаліші напівпровідники, а в енергетиці — підвищити ефективність каталітичних процесів для виробництва чистого палива. Крім того, технологія відкриває двері до фундаментальних наукових відкриттів, дозволяючи дослідникам краще зрозуміти, як влаштований світ на найменшому рівні.

На думку авторів, їхня розробка — це лише початок. У майбутньому ШІ може стати незамінним інструментом для вивчення інших складних систем, де традиційні методи спостереження обмежені. Поки що вчені продовжують вдосконалювати методику, щоб зробити її доступною для ширшого кола досліджень. Але вже зараз очевидно: поєднання штучного інтелекту з передовими технологіями візуалізації змінює наше уявлення про нанотехнології та їхній потенціал.