Advertentie
X-Ray diffractie kristallografie is al meer dan een eeuw de standaard wat betreft het bepalen van de atoomstructuur van materialen. Hoewel deze technologie goed werkt voor ‘grote’ zuivere kristallen van een gegeven materiaal, werkt het niet goed met kleine kristallen op de nanoschaal. Nu hebben onderzoekers een methode ontwikkeld waarmee de structuren van ook dergelijke minuscule kristallen bepaald kunnen worden, met behulp van AI.
De gegevens die verzameld worden met röntgenkristallografie van nanokristallen zijn niet nauwkeurig genoeg om de exacte structuur te bepalen, althans, met klassieke methodes. Onderzoekers aan de Universiteit van Columbia hebben een AI-algoritme ontwikkeld die ze PXRDnet hebben gedoopt, waarmee de atomaire structuur wel gereconstrueerd kan worden uit de onnauwkeurige data van nanokristallen. De resultaten van hun onderzoek zijn gepubliceerd in Nature Materials.
Het machine learning algoritme werd getraind op diffusie patronen van ruim 45 duizend bekende kristalstructuren. Vervolgens was PXRDnet in staat om de structuur te bepalen van nanokristallen vanaf 1 nm grootte. Bij de gesimuleerde nanokristallen zat het model er slechts in 20% van de gevallen naast. De gemiddelde afwijking bedroeg zelfs slechts zeven procent. Hoewel de onderzoekers niet aangeven hoe succesvol het model is met echte diffractiepatronen van experimenten met kleine kristallen, geven ze wel aan dat het model ook in staat is om daarbij oplossingen te bieden.
Volgens de onderzoekers lijkt het algoritme wel enigszins op die van LLM’s. Waar die AI’s gebruikmaken van tekst om patronen te herkennen en daarmee grammatica en vocabulaire aan te leren, leert PXRDnet de patronen van kristalstructuren. Dat kan omdat atomen op een beperkt aantal manieren in elkaar kunnen zitten en dit dus ook volgens bepaalde ‘regels’ verloopt, zoals taal en grammatica.
Het onderzoek zet de deur open naar een nieuwe manier van het maken van materialen. Hieronder vallen bijvoorbeeld medicijnen en accu’s. Het is belangrijk om te weten hoe gesynthetiseerde materialen in elkaar zitten, maar het is niet altijd mogelijk om deze in kristallen te laten groeien van een groot genoeg formaat om traditionele röntgenkristallografie in te zetten. Als de kristalstructuur wel betrouwbaar bepaald kan worden door deze nieuwe technologie, kan dit het ontwikkelen van nieuwe materialen erg versnellen, doordat onderzoekers veel sneller kunnen bepalen of het juiste materiaal is gevormd en of deze eruit ziet zoals verwacht.