Metamaterialen zijn kunstmatig vervaardigde materialen. Wetenschappers creëren ze door meerdere elementen van composietmaterialen zoals een metaal en een elektrische isolator te combineren. Het resultaat is een geheel nieuw materiaal met eigenschappen die niet in de natuur voorkomen. Ingenieurs kunnen deze materialen vervolgens gebruiken om nieuwe apparaten te maken of bestaande te verbeteren.

Laten we zeggen dat je een echte onzichtbaarheidsmantel wilt bouwen. Om onzichtbaarheid te bereiken, een metamateriaal moet bepaalde optische eigenschappen hebben. specifiek, wetenschappers zouden het materiaal zo moeten ontwerpen dat ze kunnen bepalen hoe licht rond een object beweegt zonder te worden gereflecteerd of geabsorbeerd. Dit ontwerp is mogelijk, maar het zou precies het juiste materiaal met precies de juiste structuur vereisen.

Er zijn honderdduizenden potentiële materiële structuren met optische reacties die ergens in het optische spectrum vallen. Het doorzoeken ervan om een ​​nieuw materiaalontwerp te vinden kostte traditioneel uren of zelfs dagen.

Nutsvoorzieningen, Noordoost-professor Yongmin Liu heeft een nieuwe methode ontwikkeld om snel materialen met gewenste eigenschappen te ontdekken. In een onlangs gepubliceerd artikel in ACS Nano , Liu en zijn co-auteurs beschrijven een machine learning-algoritme dat ze hebben ontwikkeld en getraind om nieuwe metamateriaalstructuren te identificeren. De nieuwe methode is veel sneller en nauwkeuriger dan eerdere benaderingen, de weg vrijmaken voor ingenieurs om materialen van de volgende generatie te ontwerpen.

Het algoritme dat Liu en zijn team hebben gebouwd, is getraind met een dataset van 30, 000 verschillende monsters, die elk een specifieke relatie vertegenwoordigen tussen een metamateriaalstructuur en bijbehorende optische eigenschap. Toen het algoritme die relaties eenmaal had geleerd, het was in staat om nieuwe te voorspellen.

"Het doorzoeken van alle mogelijke parametercombinaties voor materialen is bijna onmogelijk. Door kunstmatige intelligentie in het metamateriaalontwerp te introduceren, Ik geloof dat het potentieel van metamaterialen volledig zal worden gerealiseerd, " zei Shuang Zhang, een professor in de natuurkunde aan de Universiteit van Birmingham. "Het onderzoek van prof. Liu wijst op een nieuwe onderzoeksrichting die door veel groepen op dit gebied zal worden gevolgd."

Ingenieurs kunnen het algoritme nu gebruiken om nieuwe materialen met specifieke nuttige eigenschappen te ontdekken. Bijvoorbeeld, huidige zonnepanelen kunnen slechts 20 tot 30 procent van het zonlicht omzetten in energie. Liu is geïnteresseerd in het vinden van een materiaal dat in staat is tot 100 procent lichtabsorptie om efficiëntere zonnepanelen te maken.

"Met dit algoritme we kunnen op aanvraag nieuwe metamateriaaleigenschappen ontwerpen, " zei Liu, een assistent-professor mechanische en industriële techniek. "Deze nieuwe optische materialen zullen dienen als basis voor een verscheidenheid aan functionele apparaten."

Dus, hoe ver is die onzichtbaarheidsmantel? Liu zei dat hij er zeker van is dat het algoritme het juiste materiaal zou kunnen identificeren. Maar met de huidige technologie kon het materiaal alleen op nanoschaal worden geassembleerd. Het fabriceren van een mantel die groot genoeg is voor iemand om te dragen, is een grote uitdaging waarvan Liu gelooft dat wetenschappers nog 10 tot 15 jaar verwijderd zijn van het overwinnen.

"We hebben enorme vooruitgang gezien in geavanceerde productie, zoals 3D-printen, " zei Liu. "Ik hoop dat mensen die in dit gebied werken met creatieve ideeën komen om de fabricage-uitdaging voor een draagbare mantel op te lossen."