أظهر علماء مخبر بروكهيفن الوطني التابع لوزارة الطاقة الأمريكية إمكانية نجاح اكتشاف الطرق الذاتية لمواد جديدة، وكما أدت الطريقة المستخدمة في الذكاء الاصطناعي لاكتشاف بنى نانوية جديدة بما فيها مقياس نانو “الهيكلي” الوحيد من نوعه، ونُشر البحث في دورية ساينس أدفانسيس.

شكلت آلية تسمى “التركيب الذاتي” البنى المكتشفة الحديثة، حيث تنظم جزيئات المادة نفسها  ضمن أنماط فريدة من نوعها. فالعلماء في مركز بروكهيفن للمواد النانوية الوظيفي لديهم الخبرة الكافية في تسيير عملية التركيب الذاتي، وإنشاء قوالب لإعداد الترتيبات اللازمة للتطبيقات في الإلكترونيات الدقيقة والتحفيز وأكثر من ذلك. واكتشافهم للمقياس النانوي والهياكل الجديدة الأخرى يوسع نطاق تطبيقات التركيب الذاتي.

قال عالم المواد النانوية الوظيفية والمؤلف المشارك جريجوري دويرك: “يمكننا استخدام عملية التركيب الذاتي كتقنية للرصد النانوي، والتي تُعتبر بدورها حافزًا لتطوير الإلكترونيات الدقيقة وأجهزة الكمبيوتر. وكثيرًا ما تساعد هذه التقنيات في إيجاد حل مناسب باستخدام أنماط صغيرة من النانو حيث يمكنك بالفعل الحصول على ميزات بسيطة وخاضعة لسيطرة مواد التركيب الذاتي، لكنها لا تلتزم  بالضرورة بنوع القواعد التي نضعها للدارات. فمثلاً يمكننا تشكيل أنماط ذات نفع أكبر من خلال إدارة التركيب الذاتي باستخدام قالب واحد.

يهدف فريق علماء مخبر بروكهيفن الوطني التابع لمكتب وزارة الطاقة للعلوم بناء مكتبة من أنواع النانو المجمعة ذاتيًا لتوسيع تطبيقاتها. وفي أبحاث سابقة برهن العلماء أنه قد ينتج عن خلط مادتين ذاتية التركيب معًا أنواعًا جديدة من الأنماط.

صرّح قائد فريق مركز بروكهيفن للمواد النانوية الوظيفي والمؤلف المشارك كيفن ياجر قائلاً: “في الحقيقة يمكننا إنشاء بنية هرمية لم يسبق لأحد من قبل أن فكر بها، إنه أمر مدهش .كما يمكن أن يشكل التركيب الذاتي النمطي بمفرده هياكل بسيطة نسبيًا، مثل الأسطوانات والصفائح والمدارات، ولكن عندما مزجنا مادتين معًا واستخدمنا التركيبة الكيميائية المناسبة وجدنا أنه من الممكن إنشاء هياكل جديدة كليًا”.

إن عملية مزج مواد التركيب الذاتي معًا قد مكّنت علماء مركز بروكهيفن للمواد النانوية من اكتشاف هياكل فريدة من نوعها، ولكن هذا المزج بدوره أيضًا قد أحدث تحديات جديدة مع وجود العديد من نسب التحكم بعملية التركيب الذاتي، مثل إيجاد مراعاة النسب الصحية للمكونات لابتكار هياكل جديدة ونافعة في وقت قياسي. هذا وقد استفاد علماء مركز بروكهيفن للمواد النانوية الوظيفي من قدرة الذكاء الاصطناعي الجديدة في تسريع وتيرة أبحاثهم في “التجريب الذاتي”.

وبالتعاون مع كلٍ من مركز علوم الرياضيات المتقدمة لاستخدامات بحوث الطاقة في مختبر لورانس بيركلي الوطني التابع لوزارة الطاقة وعلماء مركز بروكهيفن للمواد النانوية الوظيفي والمصدر الضوئي الثاني  للسنكروتون بمكتب إدارة الطاقة لعلوم تسهيلات المستخدم في مخبر بروكهيفن، طُورت بنية الذكاء الاصطناعي والتي بمقدورها تحديد وتطبيق كل خطوات التجربة آليًا، حيث تدفع خوارزمية الكاميرا لاتخاد القرار بشكل مستقل.

ذكر عَالِم مخبر بيركلي والمؤلف المشارك ماركوس نواك أن (gpCAM) خوارزمية وبرنامج مرن للتجربة الذاتية، والمستخدمة بشكل خاص في هذه الدراسة لاستكشاف السمات المختلفة للنموذج آليًا.

هذا وأفاد ياغر أنه: “بمساعدة من زملائنا في مخبر بيركلي، أصبح هذا البرنامج ونظامه جاهزًا للانطلاق  ونحن الآن بصدد ابتكار مواد جديدة، كما أصبح لدينا معرفة جيدة عن العلوم المستقلة والتي تمكننا من معرفة مشكلة المواد وتحويلها إلى مشكلة مستقلة يمكن حلها بمنتهى السهولة”.

وفي مساعيهم للإسراع في عملية اكتشاف مواد بتقنية الخوارزمية الجديدة، طوّر الفريق الأول عينة معقّدة باستخدام مجموعة من خصائص التحليل. في حين ابتكر الباحثون العينة باستخدام منشأة التصنيع النانوي (CFN) ونقلوا التركيب الذاتي إلى منشأة تصنيع المواد (CFN).

أشار ياغر أن الطريقة المحلية المستخدمة في علم المواد هي لتصنيع عينة وقياسها والاستفادة منها، ومن ثم التراجع وصنع عينة مختلفة مع الاستمرار في تكرار هذه العملية. وأضاف ياغر: “صنعنا عينة فيها تدرّج لكل قيمة مهتمين بها، وتشمل هذه العينة بمفردها مجموعة من عدة هياكل مادية مميزة”.

اشترى الفريق العينة ( المصدر الضوئي الثاني  للسنكروتون) والذي وّلد أشعة سينية ضوئية لدراسة  تركيبة المواد. كما أنشئت منشأة التصنيع النانوي (CFN) بالشراكة مع المصدر الضوئي الثاني للسنكروتون ثلاث محطات تجريبية، إحداها اسُتخدمت في هذه الدراسة وهي خط شعاع واجهات المواد المرنة (SMI).

قال عالم المصدر الضوئي والمؤلف المشارك ماسة فيكتو إنّ إحدى نقاط القوى لدى خط الشعاع هي قدرته على تركيز ضوء الأشعة السينية على العينة، وصولاً إلى الميكرونات. لقد حصلنا على معلومات إضافية عن التركيب المحلي للمادة الموجودة في البقعة المضاءة من خلال تحليل كيف يمكن لهذه الأشعة السينية الميكروبية أن تنتشر عن طريق المادة.

بإمكان أبعاد مختلف البقع أن تكشف لنا كيف يتفاوت الهيكل المحلي عن طريق عينة التدرج، وفي هذا الصدد اعتمدنا على خوارزمية الذكاء الاصطناعي باختيار المكان الذي يجب قياسه بعد ذلك لتقيّم كل منطقة.

وبما أنه قد تم قياس العينة لدى خط شعاع (SMI)، أنشئت الخوارزمية وبدون تدخل اليد البشرية نموذجًا لمجموعة هياكل عديدة ومتنوعة للمادة. وطوّر النموذج نفسه بنفسه مع كل قياس لاحق للأشعة السينية مما يجعل كل قياس أكثر دقة.

وفي غضون عدّة ساعات، حددت الخوارزمية ثلاث مجالات رئيسية في العينة المعقدة كي يتسنى لباحثي مختبر (CFN) التعمق أكثر في دراستها. فلقد استخدموا جهاز الفحص المجهري الإلكتروني لتصوير تلك المجالات الرئيسية بتفاصيل دقيقة والكشف عن درجات ومسارات السلم النانوي من ضمن ميزات جديدة أخرى.

من البداية وحتى النهاية، استمرت التجربة حوالي ست ساعات كما يتوقع الباحثون بأنهم سيحتاجون لشهر إضافيّ للتوصل لهذا الاكتشاف باستخدام الوسائل التقليدية.

قال ياغر: “يمكن للوسائل الذاتية أن تسرّع  من عملية الاكتشاف بشكل كبير وأنها في الأساس تُقوي حلقة الاكتشاف المعتادة للعلم، بحيث ننتقل بين الفرضيات والقياسات بسرعة أكبر”.

وبغض النظر عن السرعة، فأنّ الأساليب الذاتية تزيد من نطاق ما يمكننا دراسته بمعنى أننا بإمكاننا معالجة عقبات علمية أشد صعوبة.

أضاف دوريك موضحًا: “للمضي قدمًا، نريد التحقيق في التفاعل المعقد بين المعايير المتعددة، لذلك أجرينا عمليات محاكاة عن طريق مجموعة من فنييّ الحواسيب لدى (CFN) والذين قاموا بالتحقيق بنتائجنا التجريبية، بيد أنهم أشاروا أيضًا إلى إمكانية أن تقوم المعايير الأخرى بدورهام مثل الغشاء السميك”.

يطبق الفريق بشكل فعال طريقة بحثهم المستقلة الخاصة على مشاكل اكتشاف المواد الأكثر صعوبة في التجميع الذاتي كما هو الحال بالنسبة لفئات أخرى من المواد.

طرق الاكتشاف المستقلة متكيّفة ويمكن تطبيقها تقريبًا على أيّ مشكلة بحثية.

ذكر ياغر: “نقوم الآن بنشر هذه الطرق لجميع المستخدمين على نطاق واسع والذين يزوروننا لإجراء تجارب، بحيث يمكن لأي شخص التعاون معنا لتسريع عجلة استكشاف بحوثهم المتعلقة بالمواد، ونحن بدورنا نتوقع بأن يؤدي هذا إلى تمكين مجموعة من الاكتشافات الجديدة في السنوات القادمة بما في ذلك المجالات ذات الأهمية الوطنية، كالطاقة النظيفة والإلكترونيات الدقيقة”.

المصدر: https://phys.org

ترجمة: فاطمة تركي السلطان العلي

فيسبوك: thelampofhope.sultan

مراجعة وتدقيق: زينب محمد