近日，中國科學院深圳先進技術(shù)研究院（簡稱“深圳先進院”）材料所喻學鋒、趙海濤團隊及其合作者在國際學術(shù)期刊《自然-合成》(Nature Synthesis)上發(fā)表題為“A Robotic Platform for Synthesis of Colloidal Nanocrystals”的文章。該工作首次將數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)驅(qū)動自動化合成、機器學習、逆向設(shè)計集成構(gòu)建了機器人輔助膠體納米晶數(shù)字制造平臺，有望將科研人員從傳統(tǒng)試錯實驗、勞動密集型表征中解放，實現(xiàn)膠體納米晶數(shù)字化制備。
納米晶在能源、光學、光化學、電化學、光電子學以及生物醫(yī)藥等領(lǐng)域的應用潛力巨大。納米晶物理化學性質(zhì)與其形貌、尺寸息息相關(guān)，而傳統(tǒng)的試錯實驗和密集表征需花費大量時間和精力，制約了納米晶的研發(fā)。
為此，研究團隊整合數(shù)據(jù)驅(qū)動自動化合成、機器人輔助可控合成、面向形貌逆向設(shè)計等技術(shù)，構(gòu)建了機器人輔助膠體納米晶數(shù)字智造平臺，以此突破當前納米晶可控合成研究的局限性。
其中自動化平臺由自動化合成模塊、自動化表征模塊和協(xié)作機器人三大模塊構(gòu)成，每個模塊包含若干子模塊，具有高通量合成、樣品存儲、原位光學、光譜學表征等功能（圖1）。
研究團隊以兩種典型的膠體納米晶為研究范例，一種是目前在生物傳感檢測領(lǐng)域被廣泛研究的金納米棒，一種是在新能源和光學探測領(lǐng)域有巨大應用潛力的鈣鈦礦納米晶。
為了實現(xiàn)自動化合成，研究人員對文獻進行了數(shù)據(jù)挖掘，以提供關(guān)鍵合成參數(shù)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)文獻進行數(shù)據(jù)挖掘，并對其關(guān)鍵參數(shù)進行分水平排序，從而獲取機器人執(zhí)行參數(shù)，并設(shè)計正交實驗及高通量實驗驗證，獲取了金納米棒形貌調(diào)控的重要參數(shù)。針對雙鈣鈦礦，通過對其他鈣鈦礦相關(guān)文獻進行數(shù)據(jù)挖掘，篩選出潛在的可供調(diào)節(jié)雙鈣鈦礦尺寸形貌的48種溶劑和61種表面活性劑，結(jié)合高通量原位合成和表征，快速實現(xiàn)了溶劑和表面活性劑的篩選。
進一步，通過設(shè)計單因素、雙因素以及三因素實驗，進行高通量合成、原位光學表征（RGB值獲?。?、原位光譜學表征以及異位表征（透射電鏡、掃描電鏡）等獲得大樣本數(shù)據(jù)和小樣本數(shù)據(jù)，結(jié)合機器學習，獲得了合成關(guān)鍵參數(shù)（結(jié)構(gòu)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）。通過積累數(shù)據(jù)樣本，模型得到進一步完善。此外，根據(jù)兩種材料大樣本顏色信息（RGB），還可構(gòu)建顏色信息與納米晶尺寸之間的關(guān)系模型，這個模型可作為快速鑒定納米晶尺寸的另一個指標。得益于這些模型的構(gòu)建，輸入目標產(chǎn)物尺寸信息即可反饋合成關(guān)鍵參數(shù)（結(jié)構(gòu)導向劑），從而實現(xiàn)納米晶高效逆向設(shè)計及合成（圖3）。因此，這項工作在數(shù)據(jù)驅(qū)動機器人合成納米晶領(lǐng)域前景遼闊。
該研究由中國科學院深圳先進技術(shù)研究院材料界面研究中心喻學鋒、趙海濤團隊、中國科學技術(shù)大學江俊、澳大利亞國立大學殷宗友等共同完成。深圳先進院是第一通訊單位。趙海濤副研究員、江俊教授、殷宗友副教授、喻學鋒研究員為該文章的共同通訊作者。深圳先進院趙海濤、陳薇，黃浩，澳大利亞國立大學孫哲浩為該文章的共同第一作者。
研究得到了獲得國家自然科學基金、廣東省自然科學基金、深圳市自然科學基金、深港澳科技計劃和騰訊犀牛鳥科研基金項目等的支持。
圖1. 機器人輔助膠體納米晶數(shù)字制造自動化平臺
圖2. 可控合成原位表征機器學習模型與異位表征驗證
圖3. 實驗數(shù)據(jù)庫、機器學習模型與納米晶逆向合成
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