Un equipo de investigadores de NUS dirigido por el profesor asociado Lu Jiong del Departamento de Química y el Instituto de Materiales Inteligentes Funcionales, junto con sus colaboradores internacionales, han desarrollado un concepto novedoso de sonda robótica atómica intuida por químicos (CARP).
Esta innovación, que utiliza inteligencia artificial (IA) para imitar el proceso de toma de decisiones de los químicos, permite la fabricación de materiales cuánticos con inteligencia y precisión incomparables para futuras aplicaciones de tecnología cuántica, como el almacenamiento de datos y la computación cuántica.
El nanografeno magnético de capa abierta es un tipo de material cuántico a base de carbono que posee propiedades electrónicas y magnéticas clave que son importantes para desarrollar dispositivos electrónicos extremadamente rápidos a nivel molecular, o crear bits cuánticos, los componentes básicos de las computadoras cuánticas. Los procesos utilizados para desarrollar dichos materiales han progresado a lo largo de los años debido al descubrimiento de un nuevo tipo de reacción química en fase sólida conocida como síntesis en superficie.
Sin embargo, sigue siendo un desafío fabricar y adaptar con precisión las propiedades de los materiales cuánticos a nivel atómico porque esto requiere un mayor nivel de selectividad, eficiencia y precisión que el enfoque de síntesis en superficie no puede proporcionar. Esto limita la aplicabilidad del nanografeno magnético de capa abierta para tecnologías futuras.
Assoc Prof Lu explica:"Nuestro principal objetivo es trabajar a nivel atómico para crear, estudiar y controlar estos materiales cuánticos. Nos esforzamos por revolucionar la producción de estos materiales en superficies para permitir un mayor control sobre sus resultados, hasta el nivel de átomos y enlaces individuales."
El estudio se realizó en colaboración con el profesor asociado Zhang Chun del Departamento de Física de NUS y el profesor asociado Wang Xiaonan de la Universidad de Tsinghua.
El avance de la investigación se publicó en Nature Synthesis. el 29 de febrero de 2024.
Desarrollando un nuevo concepto de nanotecnología
Al combinar técnicas de microscopio de sonda de barrido con aprendizaje profundo, el equipo de investigación permitió que el microscopio llevara a cabo la fabricación precisa de un material cuántico a base de carbono llamado nanografenos magnéticos. Este enfoque innovador también permite que este microscopio "inteligente" extraiga información química detallada, lo que ayuda a comprender mecanismos previamente desconocidos.
Un aspecto importante de este nuevo concepto es su capacidad para aprovechar la experiencia y la intuición de los químicos de superficies humanas a través de un marco neuronal profundo dentro del CARP. Este marco permite al microscopio fabricar materiales cuánticos específicos mientras opera en tiempo real. Para lograrlo, el equipo de investigación desarrolló varias capas de redes neuronales convolucionales, un tipo de modelo de aprendizaje profundo utilizado para el reconocimiento y procesamiento de imágenes.
Luego, el equipo de investigación probó el marco CARP entrenándolo utilizando el conocimiento experto de la ciclodeshidrogenación selectiva del sitio. Descubierta por el Dr. Su, la ciclodeshidrogenación selectiva de sitio es un método complejo pero esencial para sintetizar nanografenos.
El marco CARP muestra un rendimiento satisfactorio en operaciones fuera de línea y en tiempo real, y logra desencadenar reacciones de una sola molécula a una escala inferior a 0,1 nanómetros. Esta es la primera vez que se informa que una reacción química de una sonda cuenta con la ayuda de IA.
El equipo de investigación no sólo espera que el marco CARP lleve a cabo operaciones autónomas a escala atómica, sino que también pretende maximizar la capacidad de la IA para captar información profunda oculta en la base de datos. Para lograr esto, el equipo estableció un paradigma de aprendizaje para examinar los resultados de aprendizaje del marco utilizando un enfoque basado en la teoría de juegos.
Los resultados del análisis indican que CARP capturó efectivamente algunas características que podrían ser cruciales para la síntesis exitosa de nanografeno mediante ciclodeshidrogenación, lo que puede ser difícil de notar para los operadores humanos. El CARP también mostró potencial en el manejo de reacciones químicas de sondas versátiles cuando se probó con reacciones de una sola molécula desconocida.
"Nuestro objetivo en el futuro cercano es ampliar aún más el marco CARP para adoptar reacciones químicas de sondas en superficie versátiles con escala y eficiencia. Esto tiene el potencial de transformar el proceso de síntesis en superficie convencional basado en laboratorio en fabricación en chip para fines prácticos. "Esta transformación podría desempeñar un papel fundamental a la hora de acelerar la investigación fundamental de las cuestiones cuánticas y marcar el comienzo de una nueva era de fabricación atómica inteligente", añadió el profesor asociado Lu.
Más información: Jie Su et al, Síntesis inteligente de nanografenos magnéticos mediante una sonda robótica atómica intuida por un químico, Nature Synthesis (2024). DOI:10.1038/s44160-024-00488-7
Proporcionado por la Universidad Nacional de Singapur
