深圳先進(jìn)院等搭建機(jī)器人輔助膠體納米晶數(shù)字制造平臺(tái)
近日,中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院(簡(jiǎn)稱“深圳先進(jìn)院”)材料所喻學(xué)鋒、趙海濤團(tuán)隊(duì)及其合作者在國際學(xué)術(shù)期刊《自然-合成》(Nature Synthesis)上發(fā)表題為“A Robotic Platform for Synthesis of Colloidal Nanocrystals”的文章。該工作首次將數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)自動(dòng)化合成、機(jī)器學(xué)習(xí)、逆向設(shè)計(jì)集成構(gòu)建了機(jī)器人輔助膠體納米晶數(shù)字制造平臺(tái),有望將科研人員從傳統(tǒng)試錯(cuò)實(shí)驗(yàn)、勞動(dòng)密集型表征中解放,實(shí)現(xiàn)膠體納米晶數(shù)字化制備。

納米晶在能源、光學(xué)、光化學(xué)、電化學(xué)、光電子學(xué)以及生物醫(yī)藥等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力巨大。納米晶物理化學(xué)性質(zhì)與其形貌、尺寸息息相關(guān),而傳統(tǒng)的試錯(cuò)實(shí)驗(yàn)和密集表征需花費(fèi)大量時(shí)間和精力,制約了納米晶的研發(fā)。 為此,研究團(tuán)隊(duì)整合數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)自動(dòng)化合成、機(jī)器人輔助可控合成、面向形貌逆向設(shè)計(jì)等技術(shù),構(gòu)建了機(jī)器人輔助膠體納米晶數(shù)字智造平臺(tái),以此突破當(dāng)前納米晶可控合成研究的局限性。 其中自動(dòng)化平臺(tái)由自動(dòng)化合成模塊、自動(dòng)化表征模塊和協(xié)作機(jī)器人三大模塊構(gòu)成,每個(gè)模塊包含若干子模塊,具有高通量合成、樣品存儲(chǔ)、原位光學(xué)、光譜學(xué)表征等功能(圖1)。研究團(tuán)隊(duì)以兩種典型的膠體納米晶為研究范例,一種是目前在生物傳感檢測(cè)領(lǐng)域被廣泛研究的金納米棒,一種是在新能源和光學(xué)探測(cè)領(lǐng)域有巨大應(yīng)用潛力的鈣鈦礦納米晶。
為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化合成,研究人員對(duì)文獻(xiàn)進(jìn)行了數(shù)據(jù)挖掘,以提供關(guān)鍵合成參數(shù)的初始選擇。針對(duì)金納米棒,對(duì)1300篇已報(bào)道的金納米棒合成的相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘,并對(duì)其關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行分水平排序,從而獲取機(jī)器人執(zhí)行參數(shù),并設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)及高通量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,獲取了金納米棒形貌調(diào)控的重要參數(shù)。針對(duì)雙鈣鈦礦,通過對(duì)其他鈣鈦礦相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘,篩選出潛在的可供調(diào)節(jié)雙鈣鈦礦尺寸形貌的48種溶劑和61種表面活性劑,結(jié)合高通量原位合成和表征,快速實(shí)現(xiàn)了溶劑和表面活性劑的篩選。
進(jìn)一步,通過設(shè)計(jì)單因素、雙因素以及三因素實(shí)驗(yàn),進(jìn)行高通量合成、原位光學(xué)表征(RGB值獲?。?、原位光譜學(xué)表征以及異位表征(透射電鏡、掃描電鏡)等獲得大樣本數(shù)據(jù)和小樣本數(shù)據(jù),結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí),獲得了合成關(guān)鍵參數(shù)(結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑)與吸收光譜之間的關(guān)系模型以及吸收光譜和納米晶尺寸的關(guān)系(圖2)。通過積累數(shù)據(jù)樣本,模型得到進(jìn)一步完善。此外,根據(jù)兩種材料大樣本顏色信息(RGB),還可構(gòu)建顏色信息與納米晶尺寸之間的關(guān)系模型,這個(gè)模型可作為快速鑒定納米晶尺寸的另一個(gè)指標(biāo)。得益于這些模型的構(gòu)建,輸入目標(biāo)產(chǎn)物尺寸信息即可反饋合成關(guān)鍵參數(shù)(結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑),從而實(shí)現(xiàn)納米晶高效逆向設(shè)計(jì)及合成(圖3)。因此,這項(xiàng)工作在數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人合成納米晶領(lǐng)域前景遼闊。
該研究由中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院材料界面研究中心喻學(xué)鋒、趙海濤團(tuán)隊(duì)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)江俊、澳大利亞國立大學(xué)殷宗友等共同完成。深圳先進(jìn)院是第一通訊單位。趙海濤副研究員、江俊教授、殷宗友副教授、喻學(xué)鋒研究員為該文章的共同通訊作者。深圳先進(jìn)院趙海濤、陳薇,黃浩,澳大利亞國立大學(xué)孫哲浩為該文章的共同第一作者。
研究獲得國家自然科學(xué)基金、廣東省自然科學(xué)基金、深圳市自然科學(xué)基金、深港澳科技計(jì)劃和騰訊犀牛鳥科研基金項(xiàng)目等的支持。

圖1. 機(jī)器人輔助膠體納米晶數(shù)字制造自動(dòng)化平臺(tái)

圖2. 可控合成原位表征機(jī)器學(xué)習(xí)模型與異位表征驗(yàn)證

圖3. 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫、機(jī)器學(xué)習(xí)模型與納米晶逆向合成
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