Une équipe de chercheurs de la NUS dirigée par le professeur agrégé Lu Jiong du Département de chimie et de l'Institut des matériaux fonctionnels intelligents, ainsi que leurs collaborateurs internationaux, ont développé un nouveau concept de sonde robotique atomique (CARP) intuitive par les chimistes.
Cette innovation, qui utilise l'intelligence artificielle (IA) pour imiter le processus de prise de décision des chimistes, permet de fabriquer des matériaux quantiques avec une intelligence et une précision inégalées pour les futures applications de la technologie quantique telles que le stockage de données et l'informatique quantique.
Le nanographène magnétique à coque ouverte est un type de matériau quantique à base de carbone qui possède des propriétés électroniques et magnétiques clés qui sont importantes pour développer des dispositifs électroniques extrêmement rapides au niveau moléculaire ou pour créer des bits quantiques, les éléments constitutifs des ordinateurs quantiques. Les processus utilisés pour développer de tels matériaux ont progressé au fil des années grâce à la découverte d'un nouveau type de réaction chimique en phase solide connue sous le nom de synthèse en surface.
Cependant, il reste difficile de fabriquer et d’adapter avec précision les propriétés des matériaux quantiques au niveau atomique, car cela nécessite un niveau plus élevé de sélectivité, d’efficacité et de précision que l’approche de synthèse en surface n’est pas en mesure de fournir. Cela limite l'applicabilité du nanographène magnétique à coque ouverte pour les technologies futures.
Assoc Prof Lu explique :« Notre objectif principal est de travailler au niveau atomique pour créer, étudier et contrôler ces matériaux quantiques. Nous nous efforçons de révolutionner la production de ces matériaux sur les surfaces pour permettre un meilleur contrôle de leurs résultats, jusqu'à le niveau des atomes individuels et des liaisons. "
L'étude a été menée en collaboration avec le professeur agrégé Zhang Chun du département de physique de la NUS et le professeur agrégé Wang Xiaonan de l'université Tsinghua.
L'avancée de la recherche a été publiée dans Nature Synthesis le 29 février 2024.
Développer un nouveau concept pour la nanotechnologie
En combinant les techniques du microscope à sonde à balayage avec l’apprentissage en profondeur, l’équipe de recherche a permis au microscope de réaliser une fabrication précise d’un matériau quantique à base de carbone appelé nanographènes magnétiques. Cette approche innovante permet également à ce microscope « intelligent » d'extraire des informations chimiques détaillées, aidant ainsi à comprendre des mécanismes jusqu'alors inconnus.
Un aspect important de ce nouveau concept est sa capacité à exploiter l’expertise et l’intuition des chimistes des surfaces humaines grâce à un cadre neuronal profond au sein du CARP. Ce cadre permet au microscope de fabriquer des matériaux quantiques spécifiques tout en fonctionnant en temps réel. Pour y parvenir, l'équipe de recherche a développé différentes couches de réseaux neuronaux convolutifs, un type de modèle d'apprentissage profond utilisé pour la reconnaissance et le traitement d'images.
L'équipe de recherche a ensuite testé le cadre CARP en le formant en utilisant les connaissances spécialisées de la cyclodéshydrogénation sélective sur site. Découverte par le Dr Su, la cyclodéshydrogénation sélective de sites est une méthode complexe mais essentielle pour synthétiser des nanographènes.
Le framework CARP présente des performances satisfaisantes dans les opérations hors ligne et en temps réel, et parvient à déclencher des réactions de molécules uniques à une échelle inférieure à 0,1 nanomètre. C'est la première fois qu'une réaction chimique d'une sonde est assistée par l'IA.
L’équipe de recherche s’attend non seulement à ce que le cadre CARP mène des opérations autonomes à l’échelle atomique, mais vise également à maximiser la capacité de l’IA à saisir des informations approfondies cachées dans la base de données. Pour y parvenir, l'équipe a établi un paradigme d'apprentissage pour examiner les résultats d'apprentissage du cadre en utilisant une approche basée sur la théorie des jeux.
Les résultats de l'analyse indiquent que le CARP a capturé efficacement certaines caractéristiques qui pourraient être cruciales pour la synthèse réussie du nanographène par cyclodéshydrogénation, ce qui peut être difficile à remarquer pour les opérateurs humains. Le CARP a également montré son potentiel dans la gestion de réactions chimiques polyvalentes avec des sondes lorsqu'il a été testé avec des réactions inconnues à molécule unique.
"Notre objectif dans un avenir proche est d'étendre davantage le cadre CARP pour adopter des réactions chimiques polyvalentes avec des sondes en surface avec échelle et efficacité. Cela a le potentiel de transformer le processus de synthèse conventionnel en surface en laboratoire en une fabrication sur puce pour des applications pratiques. applications. Une telle transformation pourrait jouer un rôle central dans l’accélération de la recherche fondamentale sur les matières quantiques et ouvrir la voie à une nouvelle ère de fabrication atomique intelligente », a ajouté le professeur associé Lu.
Plus d'informations : Jie Su et al, Synthèse intelligente de nanographènes magnétiques via une sonde robotique atomique intuitive par un chimiste, Nature Synthesis (2024). DOI :10.1038/s44160-024-00488-7
Fourni par l'Université nationale de Singapour
