Uma equipe de pesquisadores do NUS liderada pelo Professor Associado Lu Jiong do Departamento de Química e Instituto de Materiais Inteligentes Funcionais, juntamente com seus colaboradores internacionais, desenvolveu um novo conceito de sonda robótica atômica intuitiva (CARP).



Esta inovação, que utiliza inteligência artificial (IA) para imitar o processo de tomada de decisão dos químicos, permite a fabricação de materiais quânticos com inteligência e precisão incomparáveis ​​para futuras aplicações de tecnologia quântica, como armazenamento de dados e computação quântica.

O nanografeno magnético de casca aberta é um tipo de material quântico à base de carbono que possui propriedades eletrônicas e magnéticas importantes para o desenvolvimento de dispositivos eletrônicos extremamente rápidos em nível molecular ou para a criação de bits quânticos, os blocos de construção dos computadores quânticos. Os processos utilizados para desenvolver tais materiais progrediram ao longo dos anos devido à descoberta de um novo tipo de reação química em fase sólida conhecida como síntese na superfície.

No entanto, continua a ser um desafio fabricar e adaptar com precisão as propriedades dos materiais quânticos ao nível atômico porque isso requer um nível mais elevado de seletividade, eficiência e precisão que a abordagem de síntese na superfície é incapaz de fornecer. Isso limita a aplicabilidade do nanografeno magnético de casca aberta para tecnologias futuras.

Assoc Prof Lu explica:"Nosso principal objetivo é trabalhar em nível atômico para criar, estudar e controlar esses materiais quânticos. Estamos nos esforçando para revolucionar a produção desses materiais em superfícies para permitir mais controle sobre seus resultados, até o nível de átomos e ligações individuais."

O estudo foi conduzido em colaboração com o Professor Associado Zhang Chun do Departamento de Física da NUS e o Professor Associado Wang Xiaonan da Universidade de Tsinghua.

O avanço da pesquisa foi publicado na Nature Synthesis em 29 de fevereiro de 2024.

Desenvolvendo um novo conceito para nanotecnologia

Ao combinar técnicas de microscópio de sonda de varredura com aprendizado profundo, a equipe de pesquisa permitiu que o microscópio realizasse a fabricação precisa de um material quântico à base de carbono chamado nanografenos magnéticos. Esta abordagem inovadora também permite que este microscópio “inteligente” extraia informações químicas detalhadas, auxiliando na compreensão de mecanismos até então desconhecidos.

Um aspecto significativo deste novo conceito é a sua capacidade de aproveitar a experiência e a intuição dos químicos de superfície humanos através de uma estrutura neural profunda dentro do CARP. Esta estrutura permite que o microscópio fabrique materiais quânticos específicos enquanto opera em tempo real. Para conseguir isso, a equipe de pesquisa desenvolveu várias camadas de redes neurais convolucionais, um tipo de modelo de aprendizagem profunda usado para reconhecimento e processamento de imagens.

A equipe de pesquisa testou então a estrutura CARP treinando-a usando o conhecimento especializado da ciclodesidrogenação seletiva do local. Descoberta pelo Dr. Su, a ciclodesidrogenação seletiva de local é um método complexo, mas essencial para sintetizar nanografenos.

A estrutura CARP apresenta desempenho satisfatório em operações offline e em tempo real, e consegue desencadear reações de molécula única em escala menor que 0,1 nanômetro. Esta é a primeira vez que se relata que uma reação química de sonda é assistida por IA.

CARP:Da autonomia à inteligência

A equipa de investigação não só espera que a estrutura CARP conduza operações autónomas à escala atómica, mas também visa maximizar a capacidade da IA ​​de captar informações profundas escondidas na base de dados. Para conseguir isso, a equipe estabeleceu um paradigma de aprendizagem para examinar os resultados de aprendizagem da estrutura usando uma abordagem baseada na teoria dos jogos.

Os resultados da análise indicam que o CARP capturou efetivamente algumas características que podem ser cruciais para o sucesso da síntese do nanografeno através da ciclodesidrogenação, o que pode ser um desafio para os operadores humanos perceberem. O CARP também mostrou potencial no manuseio de reações químicas de sonda versáteis quando testado com reações desconhecidas de molécula única.

"Nosso objetivo no futuro próximo é estender ainda mais a estrutura CARP para adotar reações químicas versáteis de sonda na superfície com escala e eficiência. Isso tem o potencial de transformar o processo convencional de síntese na superfície baseado em laboratório em fabricação no chip para uso prático aplicações. Essa transformação poderia desempenhar um papel fundamental na aceleração da pesquisa fundamental de questões quânticas e inaugurar uma nova era de fabricação atômica inteligente", acrescentou Assoc Prof Lu.

Mais informações: Jie Su et al, Síntese inteligente de nanografenos magnéticos por meio de sonda robótica atômica intuitiva por químico, Nature Synthesis (2024). DOI:10.1038/s44160-024-00488-7
Fornecido pela Universidade Nacional de Cingapura