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(tuán)隊(duì)，聯(lián)合中國科學(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(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)自動(dòng)化合成、機(jī)器學(xué)習(xí)、逆向設(shè)計(jì)集成構(gòu)建了機(jī)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(cuò)實(shí)驗(yàn)、勞動(dòng)密集型表征中解放，實(shí)現(xiàn)膠體納米晶數(shù)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(yī)藥等領(lǐng)域頗具應(yīng)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(tǒng)的試錯(cuò)實(shí)驗(yàn)和密集表征需花費(fèi)大量時(shí)間和精力，制約了納米晶的研發(fā)。為此，研究團(tuán)隊(duì)整合數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)自動(dòng)化合成、機(jī)器人輔助可控合成、面向形貌逆向設(shè)計(jì)等技術(shù)，構(gòu)建了機(jī)器人輔助膠體納米晶數(shù)字智造平臺，以此突破當(dāng)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(jī)器人三大模塊構(gòu)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）。科研團(tuán)隊(duì)以兩種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(yīng)用潛力的鈣鈦礦納米晶。

　　為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化合成，研究人員對文獻(xiàn)進(jìn)行數(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(bào)道的金納米棒合成的相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，并對其關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行分水平排序，從而獲取機(jī)器人執(zhí)行參數(shù)，并設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)及高通量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(xiàn)進(jìn)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(shí)現(xiàn)了溶劑和表面活性劑的篩選。

　　進(jìn)一步，研究通過設(shè)計(jì)單因素、雙因素以及三因素實(shí)驗(yàn)，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(shù)據(jù)和小樣本數(shù)據(jù)，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)，獲得了合成關(guān)鍵參數(shù)（結(jié)構(gòu)導(dǎo)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(jìn)一步完善。此外，研究根據(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。這一模型可作為快速鑒定納米晶尺寸的另一個(gè)指標(biāo)。得益于這些模型的構(gòu)建，輸入目標(biāo)產(chǎn)物尺寸信息即可反饋合成關(guān)鍵參數(shù)（結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑），從而實(shí)現(xiàn)納米晶高效逆向設(shè)計(jì)及合成（圖3）。因此，該工作在數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)機(jī)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(jì)劃等的支持。

　　論文鏈接 

圖1.機(jī)器人輔助膠體納米晶數(shù)字制造自動(dòng)化平臺

圖2.可控合成原位表征機(jī)器學(xué)習(xí)模型與異位表征驗(yàn)證

圖3.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫、機(jī)器學(xué)習(xí)模型與納米晶逆向合成