美國科學(xué)家使用遺傳算法設(shè)計新型納米材料

據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)近日報道，美國科學(xué)家使用遺傳算法逆向設(shè)計出一種架構(gòu)，并用這種架構(gòu)來設(shè)計新型納米材料。這是科學(xué)家們首次證明，可用逆向設(shè)計方法來設(shè)計自組裝的納米結(jié)構(gòu)。另外，該研究也證明了機器學(xué)習(xí)和“大數(shù)據(jù)”方法在設(shè)計納米材料方面的潛力。最新研究發(fā)表在10月28日出版的美國《國家科學(xué)院院刊》上。

該研究團隊使用以前研發(fā)出的一種遺傳算法，設(shè)計出嫁接了DNA的粒子，這種粒子能自組裝成他們想要的晶體結(jié)構(gòu)。這是一種逆向研究過程。傳統(tǒng)研究中，嫁接了單鏈DNA的膠狀粒子可以自組裝，隨后，科學(xué)家們會對得到的晶體結(jié)構(gòu)進行檢查，然后再進行改進，直到得到自己想要的結(jié)構(gòu)。

該研究的合作者森納特·庫爾瑪表示：“盡管傳統(tǒng)方法有助于我們事后理解是什么因素在管控這一自組裝過程，但并不能讓我們提前設(shè)計出我們需要的結(jié)構(gòu)。最新研究解決了這個設(shè)計問題，而且，提出了一種革命性的優(yōu)化方法，其不僅能提前再現(xiàn)細(xì)節(jié)，而且也能解釋以前未被觀察到的結(jié)構(gòu)。”

該研究的領(lǐng)導(dǎo)者、哥倫比亞大學(xué)化學(xué)工程學(xué)教授文卡特·文卡塔蘇布拉曼尼安表示：“我們的設(shè)計架構(gòu)將有助于加速新材料的制造過程。從某種意義上來說，我們正在通過讓其同計算方法完美地匹配，從而改變新材料的制造過程�！�

該研究團隊正在使用“大數(shù)據(jù)”概念和新技術(shù)來發(fā)現(xiàn)和設(shè)計新式納米材料，這是美國“材料基因組計劃”的一個優(yōu)先領(lǐng)域。“材料基因組計劃”的目的是研發(fā)出新方法來革新材料的設(shè)計，從而改進與日常生活息息相關(guān)的產(chǎn)品，這些產(chǎn)品涵蓋的范圍非常廣，從藥物到殺蟲劑或除草劑等農(nóng)業(yè)化學(xué)物質(zhì)再到燃料附加物、涂料和油漆，甚至洗發(fā)精這樣的個人護理產(chǎn)品等。

哥倫比亞大學(xué)數(shù)據(jù)科學(xué)與工程研究所所長凱思琳·麥吉翁表示：“這一逆向設(shè)計方法證明了機器學(xué)習(xí)和算法工程方法在解決材料科學(xué)領(lǐng)域面臨的重大挑戰(zhàn)方面極具潛力。”

文卡塔蘇布拉曼尼安表示，他們計劃對這一方法繼續(xù)探索，改進其模型并引入更多的機器學(xué)習(xí)技術(shù)。