Технологии машинного обучения (ML) позволяют явить миру не только системы распознавания, чем сегодня не занимается только ленивый, но также ведут к появлению решений для сложнейших анализов химических, молекулярных и атомарных структур веществ и материалов. До сих пор подобный анализ вёлся с  использованием знаний и уравнений квантовой механики и физики. Это долгий и трудоёмкий путь, который с помощью технологий ML можно пройти в разы быстрее. Для этого необходимо научить систему анализировать атомную структуру материалов, а не вести длительные расчёты по формулам.

Слева расчёт распределения плотности заряда бензола, справа ― разница между анализом с помощью машинного обучения и расчётом по формулам

Учёные из Технологического института штата Джорджия решили применить методику машинного обучения для анализа атомной структуры материалов, которые используются для производства обычных конденсаторов ― алюминия и полиэтилена. Увеличение потребления энергии ведёт к росту всякого рода силовой электроники, в которой конденсаторы играют немаловажную роль. Эти элементы хотелось бы сделать меньше, а их ёмкость ― больше. Очевидно, что для этого должны быть созданы материалы с заданными свойствами. Машинное обучение может помочь в скорейшем анализе (переборе) массы материалов, на изучение свойств которых традиционными средствами ушло бы непомерно много времени.

Проект по автоматизации анализа атомной структуры материалов включает два этапа расчётов. Первичный, самый быстрый, проходит на базе суперкомпьютера Comet в Сан-Диего (San Diego Supercomputer Center, SDSC), а вторичный ― на суперкомпьютере Stampede Техасского университета в Остине. В систему ML загоняются уже имеющиеся данные по каждому из материалов (алюминию и полиэтилену), рассчитанные с использованием уравнений соответствующего раздела квантовой механики, а учёные наделяют вычислительные платформы алгоритмами, которые учатся имитировать анализ атомной структуры материалов, не прибегая к точным расчётам. Так получается на несколько порядков быстрее, чем использование только квантовой механики.

По мнению учёных, подобным образом можно будет провести быстрый анализ и поиск материалов для любых сфер деятельности человека. Особенно в этом нуждается электронная промышленность, которая приближается к барьеру своих возможностей в виде физических ограничений для техпроцессов КМОП.

Если вам доведётся лететь на Боинг-787, то вы наверняка обратите внимание на иллюминаторы лайнера с регулируемой прозрачностью. Эти иллюминаторы выполнены из электрохромного стекла. Если на такое стекло подать небольшое напряжение, в нём начнут происходить обратимые химические реакции, которые изменят его прозрачность. На этом принципе также пытались создать экраны для электронных книжек (букридеров), но с появлением планшетов и смартфонов тема заглохла. Другое дело строительство и военные. Стёкла с регулируемыми прозрачностью и цветом найдут применение в остеклении фасадов и в камуфляже. Также они востребованы в экипировке пилотов боевых самолётов, позволяя защитить глаза лётчиков от слепящего солнца во время выполнения головоломных манёвров. Но это всё лирика. Ниже пойдёт речь о компьютерной составляющей изобретения ― о безусловной помощи суперкомпьютеров при поиске нужных химических формул электрохромных материалов.

Группа исследователей из Технологического института Джорджии (Georgia Tech) несколько последних лет параллельно с поиском новых химических соединений создаёт и совершенствует компьютерную модель разрабатываемых материалов. Это анодно окрашиваемые электрохромные соединения (anodically coloring electrochromes, ACEs). Цвет материала меняется при подаче напряжения вследствие окислительно-восстановительных реакций. Проблема только в том, что до сих пор учёные не могли добиться от ACE-материалов полной прозрачности. При переходе в режим прозрачности стекло всегда оставалось синего оттенка. Для визиров пилотов это недопустимо, хотя в иных случаях цветной оттенок помехой не считался. Эта проблема усугублялась тем, что в электрохромном процессе возникают катион-радикальные реакции, о явлении которых наука знает пока не очень много. Как результат, цвета и прозрачность плохо поддаются осознанному регулированию ― всегда присутствует элемент случайности, что тоже недопустимо, как минимум, для военного применения технологии.

В процессе экспериментов выяснилось, что материалы с точно регулируемым цветом и полной прозрачностью существуют. Учёные создали строение как минимум четырёх молекул с материалами двух ярко-зелёных оттенков, красным и жёлтым. Смешение материалов дало структуру с переходом от кристальной прозрачности до полной непрозрачности. Ключевую роль в появлении новых формул сыграла компьютерная модель и суперкомпьютер Comet центра в Сан-Диего (San Diego Supercomputer Center, SDSC). Дело в том, что все четыре молекулы с такими разными характеристиками отличались буквально по положению одного-единственного атома. Экспериментально нужную формулу вывести было практически невозможно. Моделирование помогло найти ту необходимую комбинацию, которая, возможно, толкнёт науку об электрохромных материалах далеко вперёд.