इंजीनियर यह निर्धारित करने के तरीके विकसित करते हैं कि भौतिक सतहें कैसे व्यवहार करती हैं

Posted by

क्रेडिट: CC0 पब्लिक डोमेन

नए यौगिकों या मिश्र धातुओं को डिजाइन करना जिनकी सतहों का उपयोग रासायनिक प्रतिक्रियाओं में उत्प्रेरक के रूप में किया जा सकता है, एक जटिल प्रक्रिया हो सकती है जो अनुभवी रसायनज्ञों के अंतर्ज्ञान पर बहुत अधिक निर्भर करती है। एमआईटी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने मशीन लर्निंग का उपयोग करके एक नया दृष्टिकोण तैयार किया है, जो अंतर्ज्ञान की आवश्यकता को दूर करता है और पारंपरिक तरीकों की तुलना में व्यावहारिक रूप से अधिक विस्तृत जानकारी प्रदान करता है।

उदाहरण के लिए, नई प्रणाली को उस सामग्री पर लागू करके जिसका पहले से ही 30 वर्षों तक पारंपरिक तरीकों से अध्ययन किया जा चुका था, टीम ने पाया कि यौगिक की सतह दो नए परमाणु विन्यास बना सकती है जिन्हें पहले पहचाना नहीं गया था, और एक अन्य विन्यास पिछले कार्य में देखा गया था.. क्षमता अस्थिर है.

निष्कर्ष जर्नल में वर्णित हैं प्रकृति कम्प्यूटेशनल विज्ञानएमआईटी स्नातक छात्र ज़ियाओचेन डु, प्रोफेसर राफेल गोमेज़-बॉम्बरेली और बिल्गे यिल्डिज़, एमआईटी लिंकन प्रयोगशाला के तकनीकी स्टाफ सदस्य लिन ली और तीन अन्य लोगों के एक पेपर में।

सामग्री की सतहें अक्सर अपने परिवेश के साथ इस तरह से बातचीत करती हैं जो सतह पर परमाणुओं के विशिष्ट विन्यास पर निर्भर करती है, जो इस आधार पर भिन्न हो सकती है कि सामग्री की परमाणु संरचना के कौन से हिस्से उजागर हुए हैं। किशमिश और बादाम के साथ लेयर केक के बारे में सोचें: आप केक कैसे काटते हैं इसके आधार पर, आपका टुकड़ा परतों और किनारों पर फलों की अलग-अलग मात्रा और व्यवस्था को प्रकट करेगा।

पर्यावरण भी महत्वपूर्ण है. अगर केक को चाशनी में भिगोया जाए, जिससे वह नम और चिपचिपा हो जाए, तो उसकी सतह अलग दिखेगी, या अगर उसे ओवन में रखा जाए, तो सतह सख्त और काली हो जाएगी। ठीक उसी तरह जैसे किसी पदार्थ की सतह तरल पदार्थ में डुबाने या अलग-अलग तापमान के संपर्क में आने पर प्रतिक्रिया करती है।

किसी सामग्री की सतह को चिह्नित करने के लिए आमतौर पर उपयोग की जाने वाली विधियां स्थिर होती हैं, जो लाखों संभावनाओं में से एक विशेष विन्यास को देखती हैं। नई विधि वांछित गुणों वाली उन सामग्रियों को खोजने के लिए, केवल कुछ प्रथम-सिद्धांतों की गणना के आधार पर सभी विविधताओं के अनुमान की अनुमति देती है, जो पुनरावृत्त मशीन-शिक्षण प्रक्रिया द्वारा स्वचालित रूप से चुनी जाती हैं।

इसके अतिरिक्त, सामान्य वर्तमान तरीकों के विपरीत, नई प्रणाली को इस बारे में गतिशील जानकारी प्रदान करने के लिए बढ़ाया जा सकता है कि परिचालन स्थितियों के तहत समय के साथ सतह के गुण कैसे बदलते हैं, उदाहरण के लिए जब कोई उत्प्रेरक सक्रिय रूप से रासायनिक प्रतिक्रिया को बढ़ावा दे रहा हो, या जब बैटरी इलेक्ट्रोड चार्ज हो रहा हो। निर्वहन

शोधकर्ताओं की विधि, जिसे वे स्वचालित सतह पुनर्निर्माण ढांचा कहते हैं, सिमुलेशन में उपयोग किए जाने वाले तंत्रिका नेटवर्क को प्रशिक्षित करने के लिए सतहों के हाथ से चुने गए उदाहरणों का उपयोग करने की आवश्यकता से बचती है। इसके बजाय, यह एक प्राचीन कटी हुई सतह के उदाहरण से शुरू होता है, फिर उस सतह पर नमूना लेने के लिए साइटों का चयन करने के लिए मोंटे-कार्लो एल्गोरिथ्म के एक प्रकार के साथ सक्रिय शिक्षण का उपयोग करता है, अगले के चयन का मार्गदर्शन करने के लिए प्रत्येक उदाहरण साइट के परिणामों का मूल्यांकन करता है। साइटों

टीम की रिपोर्ट के अनुसार, 5,000 से कम प्रथम-सिद्धांत गणनाओं का उपयोग करके, सिस्टम विभिन्न रासायनिक या विद्युत क्षमता पर सटीक सतह ऊर्जा पूर्वानुमान प्राप्त कर सकता है।

“हम थर्मोडायनामिक्स को देख रहे हैं,” डु कहते हैं, “जिसका अर्थ है, दबाव, तापमान और रासायनिक क्षमता जैसी विभिन्न प्रकार की बाहरी स्थितियां, जो किसी विशेष तत्व की एकाग्रता से संबंधित हो सकती हैं। [we can investigate] सतह के लिए सबसे स्थिर संरचना कौन सी है?”

सिद्धांत रूप में, किसी सामग्री की सतह के थर्मोडायनामिक गुणों को निर्धारित करने के लिए एक विशेष एकल परमाणु व्यवस्था में सतह की ऊर्जा को जानना और फिर सभी संभावित विविधताओं को कवर करने और होने वाली प्रक्रियाओं की गतिशीलता को पकड़ने के लिए उस ऊर्जा को लाखों बार निर्धारित करना आवश्यक है। गोमेज़-बॉम्बरेली कहते हैं, हालांकि सैद्धांतिक रूप से कम्प्यूटेशनल रूप से ऐसा करना संभव है, लेकिन सामान्य प्रयोगशाला पैमाने पर “यह किफायती नहीं है”।

उनका कहना है कि शोधकर्ता केवल कुछ विशिष्ट मामलों की जांच करके अच्छे परिणाम प्राप्त करने में सक्षम हैं, लेकिन इनमें शामिल गतिशील गुणों की सही सांख्यिकीय तस्वीर प्रदान करने के लिए ये पर्याप्त मामले नहीं हैं।

अपनी पद्धति का उपयोग करते हुए, ड्यू कहते हैं, “हमारे पास नई सुविधाएं हैं जो हमें विभिन्न संरचनाओं और विन्यासों के थर्मोडायनामिक्स का नमूना लेने की अनुमति देती हैं। हम यह भी दिखाते हैं कि हम कम खर्चीले क्वांटम यांत्रिक ऊर्जा मूल्यांकन के साथ कम लागत पर इसे हासिल करने में सक्षम हैं। और हम हैं कठोर सामग्रियों के लिए भी ऐसा करने में सक्षम,” जिसमें तीन-घटक सामग्री भी शामिल है।

वह कहते हैं, “परंपरागत रूप से क्षेत्र में जो किया जाता है, वह यह है कि शोधकर्ता, अपने अंतर्ज्ञान और ज्ञान के आधार पर, केवल कुछ काल्पनिक सतहों का परीक्षण करेंगे। लेकिन हम व्यापक नमूनाकरण करते हैं, और यह स्वचालित रूप से किया जाता है।” वह कहते हैं, “हमने एक ऐसी प्रक्रिया को बदल दिया है जो मानव अंतर्ज्ञान की आवश्यकता के कारण एक बार असंभव या बेहद चुनौतीपूर्ण थी। अब, हमें न्यूनतम मानव इनपुट की आवश्यकता है। हम केवल मूल सतह प्रदान करते हैं, और हमारा उपकरण बाकी काम संभालता है।”

वह उपकरण, या कंप्यूटर एल्गोरिदम का एक सेट, जिसे AutoSurfRecon कहा जाता है, शोधकर्ताओं द्वारा मुफ्त में उपलब्ध कराया गया है ताकि इसे डाउनलोड किया जा सके और दुनिया भर के शोधकर्ताओं द्वारा मदद के लिए उपयोग किया जा सके, उदाहरण के लिए, उत्प्रेरक के लिए नई सामग्री विकसित करना, जैसे वैकल्पिक उत्पादन उत्सर्जन-मुक्त ईंधन के रूप में या नई बैटरी या ईंधन सेल घटकों के लिए “हरित” हाइड्रोजन।

उदाहरण के लिए, गोमेज़-बॉम्बरेली कहते हैं, हाइड्रोजन उत्पादन के लिए उत्प्रेरक विकसित करते समय, “समस्या का एक हिस्सा यह है कि यह वास्तव में समझ में नहीं आता है कि उत्प्रेरक चक्र के कारण उनकी सतह उनके थोक से कैसे भिन्न होती है। इसलिए, सामग्री कैसी दिखती है, इसके बीच यह अंतर है। “है। जैसे कि इसका उपयोग कब किया जाता है और जब इसे क्रियान्वित करने से पहले तैयार किया जाता है तो यह कैसा दिखता है।”

वह कहते हैं कि “दिन के अंत में, एक उत्प्रेरक में, उत्प्रेरक के लिए कुछ करने के लिए जिम्मेदार इकाई सतह पर कुछ अणु होते हैं, इसलिए यह वास्तव में महत्वपूर्ण है कि इस समय सतह कैसी दिखती है।”

एक अन्य संभावित अनुप्रयोग हवा से या बिजली संयंत्र उत्सर्जन से कार्बन डाइऑक्साइड को हटाने के लिए उपयोग की जाने वाली रासायनिक प्रतिक्रियाओं की गतिशीलता का अध्ययन करना है। ये प्रतिक्रियाएं अक्सर उन सामग्रियों का उपयोग करके काम करती हैं जो ऑक्सीजन को अवशोषित करने के लिए एक प्रकार के स्पंज के रूप में कार्य करती हैं, इसलिए वे कार्बन डाइऑक्साइड अणुओं से ऑक्सीजन परमाणुओं को छीन लेते हैं, कार्बन मोनोऑक्साइड को पीछे छोड़ देते हैं, जो एक उपयोगी ईंधन या रासायनिक फीडस्टॉक हो सकता है। गोमेज़-बॉम्बरेली कहते हैं, “ऐसी सामग्रियों को विकसित करने के लिए यह समझने की आवश्यकता है कि सतह ऑक्सीजन के साथ क्या करती है और इसकी संरचना कैसे होती है।”

अपने उपकरण का उपयोग करके, शोधकर्ताओं ने पेरोव्स्काइट सामग्री स्ट्रोंटियम टाइटेनियम ऑक्साइड, या SrTiO की सतह परमाणु व्यवस्था का अध्ययन किया।3, जिसका तीन दशकों से अधिक समय से पारंपरिक तरीकों का उपयोग करके अन्य लोगों द्वारा विश्लेषण किया जा चुका था, फिर भी इसे पूरी तरह से समझा नहीं जा सका था। उन्होंने इसकी सतह पर परमाणुओं की दो नई व्यवस्थाएं खोजीं जो पहले रिपोर्ट नहीं की गई थीं, और उन्होंने भविष्यवाणी की कि रिपोर्ट की गई व्यवस्थाओं में से एक वास्तव में घटित होने की संभावना नहीं थी।

गोमेज़-बोम्बरेली कहते हैं, “यह इस बात पर प्रकाश डालता है कि विधि अंतर्ज्ञान के बिना काम करती है।” “और यह अच्छा है क्योंकि कभी-कभी अंतर्ज्ञान गलत होता है, और लोगों ने जो सोचा था वैसा नहीं हुआ।” उन्होंने कहा, यह नया उपकरण शोधकर्ताओं को संभावनाओं की एक विस्तृत श्रृंखला की कोशिश करते हुए अधिक खोजपूर्ण होने की अनुमति देगा।

अब जबकि उनका कोड बड़े पैमाने पर समुदाय के लिए जारी कर दिया गया है, वे कहते हैं, “हमें उम्मीद है कि यह अन्य उपयोगकर्ताओं को बहुत तेजी से सुधार के लिए प्रेरित करेगा”।

टीम में पीएच.डी. जेम्स डैमवुड शामिल हैं। एमआईटी की छात्रा, जैकलीन लैंगर पीएच.डी., जो अब फ्लैगशिप पायनियरिंग में हैं, और रिसेल मिलान, जो अब स्पेन में इंस्टीट्यूट ऑफ केमिकल टेक्नोलॉजी में पूर्व पोस्टडॉक हैं।

अधिक जानकारी:
अनुमान-मुक्त सतह पुनर्निर्माण को सक्षम करने के लिए मशीन-लर्निंग-त्वरित सिमुलेशन, प्रकृति कम्प्यूटेशनल विज्ञान (2023)। डीओआई: 10.1038/एस43588-023-00571-7

मैसाचुसेट्स इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी द्वारा प्रदान किया गया


यह कहानी एमआईटी न्यूज़ के सौजन्य से पुनः प्रकाशित की गई है (web.mit.edu/newsoffice/), एक लोकप्रिय साइट जो एमआईटी अनुसंधान, नवाचार और शिक्षा के बारे में समाचार कवर करती है।

उद्धरण: इंजीनियरों ने यह निर्धारित करने का एक तरीका विकसित किया है कि भौतिक सतहें कैसे व्यवहार करती हैं (2023, 7 दिसंबर) 7 दिसंबर, 2023 को https://phys.org/news/2023-12-surfaces-materials.html से लिया गया

यह दस्तावेज कॉपीराइट के अधीन है। निजी अध्ययन या अनुसंधान के प्रयोजन के लिए किसी भी निष्पक्ष व्यवहार को छोड़कर, लिखित अनुमति के बिना किसी भी भाग को पुन: प्रस्तुत नहीं किया जा सकता है। सामग्री केवल सूचनात्मक उद्देश्यों के लिए प्रदान की गई है।


#इजनयर #यह #नरधरत #करन #क #तरक #वकसत #करत #ह #क #भतक #सतह #कस #वयवहर #करत #ह

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *