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我院普适人工智能应用研究中心团队在Nature Communications上发表成果

  • 2020.04.28
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Nature Communications首发:云端实验室+机器人+AI,为21世纪新材料探索迎来革命性突破!

        近日,我院普适人工智能应用研究中心的朱熹教授团队在其搭建的云端实验室中,通过机器人自动化和AI算法成功合成出具有光学活性的手性无机钙钛矿纳米晶体。这也是学术界首次报道在纯无机钙钛矿材料中发现手性吸收的现象。

        该自主驱动的智能云端实验室将科学家从繁琐的重复性实验中解放出来,杜绝了安全隐患,大大降低了传统作坊式实验的成本,提高了全球研究人员之间的协作效率和可靠性,同时加速了新材料的发现。该工作为未来AI和机器人如何重塑材料科学提供了鲜活的例子。相关成果以“Autonomous discovery of optically active chiral inorganic perovskite nanocrystals through an intelligent cloud lab”发表在Nature Communications上。

云端实验室的架构与实景

研究背景

        在过去的几个世纪里,材料学家们在新元素发现、半导体制造、新药开发、可再生能源及许多全球化应用领域取得了重大突破。整个研发过程也付出了巨大的成本,包括经济投资、自然资源开发、环境污染,甚至是科学家的牺牲。然而,各个行业对高性能材料的需求仍然迫切。为了应对这一挑战,需要从新材料研发的方法论上取得突破,材料科学和现代数字技术的融合已成主流趋势。高通量的机器自动化与原位表征方法相结合,显著提高了材料合成的效率和实验可重复性。

        除此之外,闭环的自主优化算法可将研究人员从琐碎的重复实验任务中解放出来,更多地投入到创新性的工作中。最近,来自剑桥大学、麻省理工大学和哈佛大学等机构的团队都相继报告了他们的智能合成平台,并被证明在参数的高维优化任务中效果显著。然而,由人工智能主导的新材料真实合成尚未见报道。

        手性是生命和材料科学中最根本的性质之一,是研究生命起源与演化,开发新药等领域的关键因素。钙钛矿材料由于其新颖的光电性质而受到越来越多的关注。有机-无机杂化钙钛矿的手性是由手性分子诱导并表现出显著的旋光性。在不与手性分子发生电子相互作用的情况下,手性钙钛矿纳米晶的设计完全依赖于手性缺陷的引入或纳米晶的手性组装结构本身的对称性破缺。因此,具有本征手性的钙钛矿材料难以被合成,手性对映体的调控和筛选更是难上加难。

研究概要

        AIRS普适人工智能应用研究中心朱熹团队将实验室自动化,云服务器和人工智能相结合,搭建了一个探索手性材料的云端实验平台。团队将其研发的材料加速操作系统MAOS (详见其先前在Advanced Science https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.201901957 上发表的研究成果) 部署在云服务器上(MAOSIC:MAOS in cloud),实现远程用户的按需实验设计和材料的自主合成、表征和参数优化。通过研究人员的远程协作,成功合成出了具有温度依赖光学活性的无机钙钛矿纳米晶体,并利用飞秒激光对合成样品进行调控,实现了手性镜像间的转化。其进一步研究了MAOSIC检测到的结构间(手性组装)和结构内(螺杆位错)双模式手性引入的原理,利用量子力学理论分析揭示了材料内部的热力学机制。该自主驱动云实验室实现了高效可靠的全球科研合作,降低了传统实验模式的设备成本,结合了线下理论分析,显著提升了新材料发现的效率。

手性无机钙钛矿结构表征结果与模型

        该成果的第一作者是香港中文大学(深圳)的2016级博士研究生李佳根。同时,香港中文大学(深圳)的博士生刘汝林和本科生涂宇啸也参与了本工作并作出突出贡献。来自湖北大学的程佳吉教授,深圳大学的贺廷超教授和AIRS朱熹教授为共同通讯作者。

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-020-15728-5

引用:Li, J., Li, J., Liu, R. et al. Autonomous discovery of optically active chiral inorganic perovskite nanocrystals through an intelligent cloud lab. Nat Commun 11, 2046 (2020). https://doi.org/10.1038/s41467-020-15728-5