Ny algoritme kan opdage materialer med usædvanlige egenskaber – inklusive usynlighed

Metamaterialer er kunstigt fremstillede materialer. Forskere skaber dem ved at kombinere flere elementer fra kompositmaterialer såsom et metal og en elektrisk isolator. Resultatet er et helt nyt materiale med egenskaber, der ikke findes i naturen. Ingeniører kan derefter bruge disse materialer til at skabe nye enheder eller forbedre eksisterende.

Lad os sige, at du vil bygge en usynlighedskappe fra det virkelige liv. For at opnå usynlighed, et metamateriale skal have visse optiske egenskaber. Specifikt, videnskabsmænd skulle designe materialet, så de kunne kontrollere, hvordan lys bevæger sig rundt om et objekt uden at blive reflekteret eller absorberet. Dette design er muligt, men det ville tage det helt rigtige materiale med den helt rigtige struktur.

Der er hundredtusindvis af potentielle materialestrukturer med optiske responser, der falder et sted langs det optiske spektrum. At gennemse dem for at finde et nyt materialedesign har traditionelt taget timer eller endda dage.

Nu, Nordøstprofessor Yongmin Liu har udviklet en ny metode til hurtigt at opdage materialer, der har ønskværdige kvaliteter. I et papir udgivet for nylig i ACS Nano , Liu og hans medforfattere beskriver en maskinlæringsalgoritme, de udviklede og trænede til at identificere nye metamateriale strukturer. Den nye metode er meget hurtigere og mere præcis end tidligere tilgange, baner vejen for ingeniører til at designe næste generations materialer.

Algoritmen Liu og hans team byggede blev trænet med et datasæt på 30, 000 forskellige prøver, hver repræsenterer et specifikt forhold mellem en metamaterialestruktur og tilsvarende optisk egenskab. Når algoritmen lærte disse relationer, den var i stand til at forudsige nye.

"Det er næsten umuligt at søge gennem alle mulige parameterkombinationer efter materialer. Ved at introducere kunstig intelligens til metamaterialedesignet, Jeg tror på, at metamaterialernes potentiale vil blive fuldt ud realiseret, " sagde Shuang Zhang, professor i fysik ved University of Birmingham. "Prof. Lius forskning peger på en ny forskningsretning, som vil blive fulgt af mange grupper inden for dette felt."

Ingeniører kan nu bruge algoritmen til at opdage nye materialer med specifikke nyttige egenskaber. For eksempel, nuværende solpaneler kan kun omdanne 20 til 30 procent af sollys til energi. Liu er interesseret i at finde et materiale, der er i stand til 100 procent lysabsorption for at skabe mere effektive solpaneler.

"Med denne algoritme, vi kan designe nye metamaterialeegenskaber efter behov, " sagde Liu, en adjunkt i maskin- og industriteknik. "Disse nye optiske materialer vil tjene som grundlaget for en række funktionelle enheder."

Så, hvor langt væk er den usynlighedskappe? Liu sagde, at han er sikker på, at algoritmen ville være i stand til at identificere det rigtige materiale. Men den nuværende teknologi kunne kun samle materialet i nanoskala. At fremstille en kappe, der er stor nok til, at nogen kan bære, er en betydelig udfordring, som Liu mener, at videnskabsmænd stadig er 10 til 15 år fra at overvinde.

"Vi har set enorme fremskridt inden for avanceret fremstilling, såsom 3-D print, " sagde Liu. "Jeg håber, at folk, der arbejder i dette område, kommer med nogle kreative ideer til at løse fabrikationsudfordringen for en bærbar kappe."