纳米晶的数字智造

科学家成功地开发了一个被称为“机器科学家”的平台来帮助研究人员更快、更简单地制造纳米晶材料。

这个平台结合了数据驱动自动化合成、机器人辅助可控合成和面向形貌逆向设计等技术。研究团队以金纳米棒和钙钛矿纳米晶为研究范例。

为了实现自动化合成，研究人员对文献进行了数据挖掘，以提供关键合成参数的初始选择。研究人员通过机器人辅助正交实验获取了大量有价值的数据，从而可以更好地了解纳米晶合成的过程，以便更高效地制造材料。

科学家如何利用实验大数据库和机器学习模型来支持逆向设计过程，以此来帮助合成特定形貌的纳米晶。通过数据驱动自动合成、机器人辅助可控合成和机器学习的方法，最终成功建立了从关键合成参数到晶体形貌的机器学习规律模型。

这种新的方法不仅能够解决科学家经验和手法难以复制的问题，还有望为新能源和生命健康等领域的材料和技术的突破提供数据驱动的全新方法论。

要成为一个具备纳米晶合成和表征专业知识的高素质科学家需要很高的成本，而这种“数据挖掘-机器合成-AI设计”通用性框架将进一步促进纳米晶合成和表征的发展。

纳米晶材料是由纳米级尺寸（1~10nm）的晶体所组成的材料1。由于晶体极细，故晶界可占整个材料的50%或更多1。其原子排列既不同于有序的结晶态，也不同于无序的非晶态（玻璃态）1。其性能也不同于相同成分的晶体或非晶体1。纳米晶材料由于超细的特点，具有常规材料无法比拟的性能1。例如，由于尺寸导致的金属绝缘体转变效应，使纳米晶金属粉末为绝缘体1。纳米粉末可用于厚膜技术制备细长的导电隧道，也可用作在高频技术领域中广泛应用的以陶瓷或高分子材料为基体的高弥散材料的弥散相1。多孔的纳米材料烧结体具有极强的活性，适合于做催化剂和大功率的电容器1。致密的纳米材料是在室温下用很高的压力将纳米粉末压制成致密压坯，然后在100~200℃下烧结而得，残留气孔可趋于零1。由于其高的晶界密度，可使强度提高一个数量级1。

纳米晶材料能够带来什么价值？这个问题没有一个确定的答案，因为不同的纳米晶材料有不同的应用领域和功能。一般来说，纳米晶材料能够提高材料的性能，降低材料的成本，增加材料的功能性和多样性，促进新技术和新产品的开发和创新。例如，纳米晶磁环是一种新型的电磁兼容（EMC）设计整改方案中运用到的电感，它具有良好的高频特性，更低的矫顽力以及损耗2。它目前在家用空调，轨道交通，太阳能、风能发电等领域得到了非常广泛的运用。