أداة ذكاء اصطناعي تسرّع تحليل مكتبات الجسيمات النانوية

كشف باحثون عن خط أنابيب معالجة صور مدعوم بالذكاء الاصطناعي (AI) يُحدث ثورة في تحليل مكتبات الجسيمات النانوية الضخمة، وهي مصفوفات تحتوي على ملايين الجسيمات النانوية الفريدة هيكلياً وتركيبياً على رقاقة واحدة. هذا الابتكار يعالج عقبة رئيسية في علوم المواد، حيث أصبح تصنيع هذه المكتبات ممكناً، لكن تحليلها ما زال يتطلب جهداً بشرياً كبيراً.

تمثل مكتبات الجسيمات النانوية الضخمة نهجاً عالي الإنتاجية لاستكشاف فضاء التصميم النانوي الشاسع، الذي يشمل أكثر من 118 عنصراً مع اختلافات في الحجم والشكل والتركيب والهيكل. الطرق التقليدية تصنع وتفحص مكتبات تزيد عن 10 ملايين ميزة نانوية فريدة، لكن التحليل يحتاج تدخلاً بشرياً واسعاً لتحديد المناطق المثيرة للاهتمام. التطورات الحديثة تسمح بصنع رقائق تحتوي على أكثر من 200 مليون جسيم نانوي مشفر مكانياً، طول كل منها 55 نانومتراً وعرضه 20 نانومتراً، باستخدام تبادل أيونات الكاتيون التدريجي على أعواد نانوية من كبريتيد النحاس.

• استبدال المعادن تدريجياً يمكن من إنتاج أكثر من 65 ألف نوع معقد مع ما يصل إلى ثمانية أجزاء.
• تدعم المكتبات تطبيقات في التحفيز الكيميائي والطاقة النظيفة والبصريات من خلال تحديد الهياكل المثلى مثل Pt3Cu.
• التصنيع التركيبي التركيبي يستخدم تقنيات مختبرية قياسية، مما يتيح الإنتاج على نطاق واسع.

يقوم الخط الأنابيب بتقسيم الصور آلياً وتوليد إحداثيات من صور المجهر الرمادية، مُحسناً لتقنيات مثل 4D-STEM وEELS وEDS. ينظف الصور الخام، يعزز الميزات الرئيسية، ويولد إحداثيات اقتناء متكيفة الحجم بناءً على كثافة البكسل، مركزاً على المناطق ذات الاهتمام العالي مع تجنب الآخرين.

تشمل الخطوات الرئيسية التقسيم الذكي لتحديد الجسيمات النانوية وإخراج إحداثيات دقيقة آلياً للفحوصات عالية الدقة. تم اختباره على 964 صورة متنوعة، محققاً معدل نجاح 96% حسب معايير الخبراء، ويسرّع سير العمل 25 إلى 29 مرة مقارنة بالطرق اليدوية.

على عكس الطرق الأساسية التي تحتاج تدخلاً بشرياً، يعمل هذا النظام الكامل الآلية بتبعيات قليلة، مما يضمن التطبيق الواسع. يكمل تصوير المجهر الاعترافي السابق لمصفوفات هائلة، حيث تُلصق آلاف الصور في مركبات بـ268 مليون بكسل لكشف التدرجات في الخصائص مثل الإضاءة الفلورية.

في التطبيق العملي، يربط الخط بين التصوير الشامل الدقة المنخفضة والتحليل التفصيلي، متعاملاً مع أحجام 'البيانات الكبيرة' من المكتبات الضخمة. على سبيل المثال، تقنية Stoicheia تجمع مع AI للتنبؤ بالمواد بدقة 95%، مؤكدة 18 من 19 مرشحاً لاستخدامات الطاقة النظيفة.

تسرّع هذه الأداة الاكتشافات في التحفيز الكيميائي، حيث حددت المكتبات الضخمة جسيمات متعددة المعادن المتفوقة، وتمتد إلى الطاقة والكيماويات وغيرها. بتمكين الفحص السريع للمكتبات التركيبية، تحول أبحاث النانو من التجريب التسلسلي إلى التحسين العالمي.

التكاملات المستقبلية مع التعلم الآلي يمكن أن تتنبأ بالخصائص من بيانات المكتبات الضخمة، موسعة 'جينوم النانو المواد'. كفاءة الخطباستخدام مدخلات دقة أقل بعد المعالجة المسبقةتخفض الحواجز أمام المختبرات عالمياً. بشكل عام، يمهد لفهم غير مسبوق للعلاقات هيكل-وظيفة، محتملاً اختراقات في التقنيات المستدامة.