Вчені вперше спостерігали за рухом атомів за допомогою ШІ

Вчені розробили революційну техніку на основі штучного інтелекту, яка розкриває приховані рухи наночастинок, важливі в матеріалознавстві, фармацевтиці та електроніці. Завдяки інтеграції штучного інтелекту з електронною мікроскопією дослідники тепер можуть візуалізувати зміни на атомному рівні, які раніше були приховані шумом. Цей прорив дозволяє чіткіше зрозуміти, як ці крихітні частинки поводяться в різних умовах, потенційно революціонізуючи промислові процеси та наукові відкриття.

ШІ та електронна мікроскопія висвітлюють поведінку наночастинок

Вчені розробили новий метод, щоб виявити, як наночастинки рухаються та змінюються з часом. Ці крихітні частинки відіграють вирішальну роль у таких галузях, як фармацевтика, електроніка та енергетика. Прорив, опублікований у Science , поєднує штучний інтелект з електронною мікроскопією для створення детальних зображень того, як наночастинки реагують на різні умови.

«Каталітичні системи на основі наночастинок мають величезний вплив на суспільство», — пояснює Карлос Фернандес-Гранда, директор Центру науки про дані Нью-Йоркського університету та професор математики та науки про дані, один із авторів статті. «За оцінками, 90 відсотків усіх вироблених продуктів включають каталітичні процеси десь у своєму виробничому ланцюжку. Ми розробили метод штучного інтелекту, який відкриває нове вікно для дослідження структурної динаміки матеріалів на атомному рівні».

Поєднання ШІ та електронної мікроскопії для безпрецедентної деталізації

Дослідження, проведене у співпраці з вченими з Університету штату Арізона, Корнельського університету та Університету Айови, поєднує електронну мікроскопію з ШІ. Ця потужна комбінація дозволяє вченим спостерігати молекулярні структури та рухи — аж до мільярдної частки метра — з безпрецедентною деталізацією та швидкістю.

«Електронна мікроскопія може отримувати зображення з високою просторовою роздільною здатністю, але через швидкість, з якою атомна структура наночастинок змінюється під час хімічних реакцій, нам потрібно збирати дані з дуже високою швидкістю, щоб зрозуміти їх функціональність», — пояснює Пітер А. Крозьє, професор матеріалознавства та інженерії в Університеті штату Арізона та один з авторів статті. «Це призводить до надзвичайно шумних вимірювань. Ми розробили метод штучного інтелекту, який навчиться автоматично видаляти цей шум, дозволяючи візуалізувати ключову динаміку атомного рівня».

Виявлення рухів атомів за допомогою глибокого навчання

Спостереження за рухом атомів на наночастинці має вирішальне значення для розуміння функціональності в промисловому застосуванні. Проблема полягає в тому, що атоми ледь помітні в даних, тому вчені не можуть бути впевнені, як вони поводяться — це еквівалент відстеження об’єктів на відео, знятому вночі за допомогою старої камери. Щоб вирішити цю проблему, автори статті навчили глибоку нейронну мережу, обчислювальний механізм штучного інтелекту, який здатний «освітлювати» зображення електронного мікроскопа, розкриваючи базові атоми та їхню динамічну поведінку.

«Природа змін у частинці надзвичайно різноманітна, включаючи періоди флюксії, які проявляються як швидкі зміни в атомній структурі, формі та орієнтації частинок; розуміння цієї динаміки потребує нових статистичних інструментів», – пояснює Девід С. Маттесон, професор і доцент кафедри статистики та науки Корнельського університету, директор Національного інституту статистичних наук і один із авторів статті. «Це дослідження представляє нову статистику, яка використовує топологічний аналіз даних як для кількісної оцінки флюксійності, так і для відстеження стабільності частинок під час їх переходу між упорядкованим і невпорядкованим станами».