人工智能（AI）已經(jīng)不僅僅是計(jì)算機(jī)科學(xué)的領(lǐng)域，它也可以幫助我們發(fā)現(xiàn)新的材料。最近，美國能源部布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室（BNL）的科學(xué)家們就利用AI技術(shù)，在納米尺度上創(chuàng)造出了一種前所未有的“梯子”結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)是通過一種叫做自組裝的過程形成的，它可以為微電子和其他領(lǐng)域帶來新的應(yīng)用。

什么是自組裝？

?自組裝是一種材料的分子自行排列成特定形狀的過程，這種過程在自然界中很常見，比如蛋白質(zhì)、DNA、細(xì)胞膜等都是通過自組裝形成的。

自組裝可以產(chǎn)生復(fù)雜而精確的納米結(jié)構(gòu)，這對于制造微電子、催化、傳感器等設(shè)備非常有用。但是，傳統(tǒng)的自組裝只能形成相對簡單的結(jié)構(gòu)，比如圓柱、片層、球體等。

如何創(chuàng)造新型納米結(jié)構(gòu)？

BNL的科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一種方法，可以通過將兩種不同的自組裝材料混合在一起，并使用合適的化學(xué)模板來引導(dǎo)它們排列，從而創(chuàng)造出新型納米結(jié)構(gòu)。他們使用了一種叫做塊共聚物（BCP）的材料，它是由兩種不同性質(zhì)的聚合物鏈連接在一起的大分子。

BCP可以自動(dòng)分離成兩個(gè)相互排斥的區(qū)域，并形成規(guī)則的圖案?？茖W(xué)家們將兩種不同類型的BCP混合在一起，并將它們涂在一個(gè)具有周期性條紋圖案的化學(xué)模板上。這樣，BCP就會根據(jù)模板上不同化學(xué)性質(zhì)的區(qū)域來調(diào)整自己的排列方式。

使用這種方法，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了三種新型納米結(jié)構(gòu)：斜線、交替線和梯子。其中最令人驚訝的是梯子結(jié)構(gòu)，它是由兩個(gè)平行排列的BCP片層之間連接著若干個(gè)BCP圓柱組成。

這種結(jié)構(gòu)在自組裝領(lǐng)域從未出現(xiàn)過，也沒有任何理論預(yù)測過。科學(xué)家們認(rèn)為這種結(jié)構(gòu)可能具有特殊的光學(xué)或電子性質(zhì)，值得進(jìn)一步研究。

如何利用AI加速研究？ 要想找到合適的參數(shù)來制造新型納米結(jié)構(gòu)并不容易，因?yàn)樯婕暗胶芏嘧兞?，比如BCP類型、比例、溫度、時(shí)間等。如果采用傳統(tǒng)的人工試錯(cuò)方法，可能需要花費(fèi)很長時(shí)間才能得到結(jié)果。

為了加速研究進(jìn)程，BNL的科學(xué)家們利用了AI技術(shù)來進(jìn)行自主實(shí)驗(yàn)。他們開發(fā)了一個(gè)AI框架，可以自動(dòng)定義和執(zhí)行實(shí)驗(yàn)的所有步驟，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果來優(yōu)化參數(shù)和策略。

他們還利用了BNL另一個(gè)國家級用戶設(shè)施——國家同步輻射光源二號（NSLS-II），來對實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行高分辨率和高通量的掃描電子顯微鏡（SEM）觀察，并將圖像數(shù)據(jù)傳輸給AI系統(tǒng)進(jìn)行分析。

通過使用AI技術(shù)，科學(xué)家們可以快速地探索不同參數(shù)下BCP混合物形成的納米圖案，并發(fā)現(xiàn)之前未知或意想不到的結(jié)構(gòu)。他們希望通過建立一個(gè)更豐富和多樣化的自組裝納米圖案庫，來拓展其在微電子和其他領(lǐng)域中的應(yīng)用。這項(xiàng)研究在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上發(fā)表，是人工智能在材料科學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)重要突破。