科學(xué)家搭建機器人輔助膠體納米晶數字制造平臺

近日，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院先進(jìn)材料科學(xué)與工程研究所喻學(xué)鋒、趙海濤團隊，吉印通中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、澳大利亞國立大學(xué)等，在《自然-合成》（ Nature Synthesis ）上，發(fā)表了題為 A Robotic Platform for Synthesis of Colloidal Nanocrystals 的研究論文。該工作首次將數據挖掘、數據驅動(dòng)自動(dòng)化合成、機器學(xué)習、逆向設計集成構建了機器人輔助膠體納米晶數字制造平臺，有望將科研人員從傳統試錯實(shí)驗、勞動(dòng)密集型表征中解放，實(shí)現膠體納米晶數字化制備。

納米晶在能源、光學(xué)、光化學(xué)、電化學(xué)、光電子學(xué)以及生物醫藥等領(lǐng)域頗具應用潛力。納米晶物理化學(xué)性質(zhì)與其形貌、尺寸息息相關(guān)，而傳統的試錯實(shí)驗和密集表征需花費大量時(shí)間和精力，制約了納米晶的研發(fā)。為此，研究團隊整合數據驅動(dòng)自動(dòng)化合成、機器人輔助可控合成、面向形貌逆向設計等技術(shù)，構建了機器人輔助膠體納米晶數字智造平臺，以此突破當前納米晶可控合成研究的局限性。其中，自動(dòng)化平臺由自動(dòng)化合成模塊、自動(dòng)化表征模塊和協(xié)作機器人三大模塊構成，每個(gè)模塊包含若干子模塊，具有高通量合成、樣品存儲、原位光學(xué)、光譜學(xué)表征等功能（圖1）?？蒲袌F隊以?xún)煞N典型的膠體納米晶為研究范例，一是目前在生物傳感檢測領(lǐng)域被廣泛研究的金納米棒，二是在新能源和光學(xué)探測領(lǐng)域頗具應用潛力的鈣鈦礦納米晶。

為了實(shí)現自動(dòng)化合成，研究人員對文獻進(jìn)行數據挖掘，以提供關(guān)鍵合成參數的初始選擇。針對金納米棒，對1300篇已報道的金納米棒合成的相關(guān)文獻進(jìn)行數據挖掘，并對其關(guān)鍵參數進(jìn)行分水平排序，從而獲取機器人執行參數，并設計正交實(shí)驗及高通量實(shí)驗驗證，獲取了金納米棒形貌調控的重要參數。針對雙鈣鈦礦，通過(guò)對其他鈣鈦礦相關(guān)文獻進(jìn)行數據挖掘，篩選出潛在的可供調節雙鈣鈦礦尺寸形貌的48種溶劑和61種表面活性劑，結合高通量原位合成和表征，快速實(shí)現了溶劑和表面活性劑的篩選。

進(jìn)一步，研究通過(guò)設計單因素、雙因素以及三因素實(shí)驗，進(jìn)行高通量合成、原位光學(xué)表征（RGB值獲?。?、原位光譜學(xué)表征以及異位表征（透射電鏡、掃描電鏡）等獲得大樣本數據和小樣本數據，結合機器學(xué)習，獲得了合成關(guān)鍵參數（結構導向劑）與吸收光譜之間的關(guān)系模型以及吸收光譜和納米晶尺寸的關(guān)系（圖2）。通過(guò)積累數據樣本，模型得到進(jìn)一步完善。此外，研究根據兩種材料大樣本顏色信息（RGB），還可構建顏色信息與納米晶尺寸之間的關(guān)系模型。這一模型可作為快速鑒定納米晶尺寸的另一個(gè)指標。得益于這些模型的構建，輸入目標產(chǎn)物尺寸信息即可反饋合成關(guān)鍵參數（結構導向劑），從而實(shí)現納米晶高效逆向設計及合成（圖3）。因此，該工作在數據驅動(dòng)機器人合成納米晶領(lǐng)域頗具前景。

深圳先進(jìn)院是第一通訊單位。研究工作得到國家自然科學(xué)基金、廣東省自然科學(xué)基金、深圳市自然科學(xué)基金、深港澳科技計劃等的支持。

圖1.機器人輔助膠體納米晶數字制造自動(dòng)化平臺

圖2.可控合成原位表征機器學(xué)習模型與異位表征驗證

圖3.實(shí)驗數據庫、機器學(xué)習模型與納米晶逆向合成

來(lái)源：中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院

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