|
Керамические изделия, вырабатывающие электричество
|
|
|
|
Обычно требуется утомительный процесс проб и ошибок, чтобы обнаружить керамические материалы, вырабатывающие электричество при механическом воздействии. Известные как пьезоэлектрическая керамика, эти ценные материалы нового поколения могут заменить батареи, питающие небольшие электронные устройства, такие как датчики. Чтобы упростить исследовательский процесс, команда, возглавляемая исследователями в области материаловедения из университета Пенсильвании, представила новую платформу, которая сочетает в себе существующую модель искусственного интеллекта (ИИ) с опытом человека для обнаружения этих материалов. Чтобы протестировать новый подход, исследователи разработали новый пьезоэлектрический композит и внедрили его в устройство для сбора энергии, которое преобразует вибрации или движения в электричество.
|
|
|
|
Новый подход, подробно описанный в статье, опубликованной в Nature Communications, включает в себя трехэтапный исследовательский процесс, в ходе которого инструмент искусственного интеллекта определяет возможные композиционные материалы, которые исследователи оценивают перед тестированием выбранных композитов с помощью практических экспериментов. Исследователи использовали большую языковую модель для анализа результатов десятилетий ранее опубликованных исследований и составления списка композиций новых материалов.
|
|
|
|
|
|
|
"Представьте, что у вас есть ассистент с искусственным интеллектом, который прочитал десятки научных работ и может мгновенно предложить новые перспективные материалы", - сказал Уэсли Рейнхарт, доцент кафедры материаловедения и инженерии. "По сути, это то, что мы создали, но с учеными, предоставляющими критические оценки в области физики, химии и инженерии, необходимые для воплощения этих предложений в реальные технологии".
|
|
|
|
По словам Амана Нанды, докторанта в области материаловедения и инженерии и первого автора исследования, использование искусственного интеллекта для выявления перспективных материалов для экспериментов позволяет исследователям сосредоточиться на проверке и оптимизации материалов для практического применения.
|
|
|
|
От списка потенциальных материалов к более эффективному результату
|
|
|
|
Составив список возможных пьезоэлектрических материалов, исследователи решили сосредоточиться на композиции на основе ниобата калия и натрия, сокращенно KNN-BNKZT-SCZ. Пьезоэлектрическая постоянная заряда этого композита составляет около 440 пикокулонов на ньютон, то есть при том же движении или вибрации он вырабатывает примерно в три раза больше электрического тока, чем обычные материалы на основе ниобата калия и натрия.
|
|
|
|
Исследователи дополнительно улучшили характеристики материала с помощью кристаллографического текстурирования — процесса, при котором зерна в керамике выравниваются для максимального улучшения ее электрических свойств. Текстурированный материал показал еще более высокую пьезоэлектрическую постоянную заряда — около 620 пикокулонов на ньютон, при этом он сохранил способность работать при высоких температурах до 160 °C (320 °F). По словам исследователей, благодаря повышенному напряжению, возникающему при механической вибрации, материал по своим характеристикам сравнялся с существующими аналогами.
|
|
|
|
«Эта работа показывает, что искусственный интеллект наиболее эффективен, когда он взаимодействует с учёными, а не заменяет их, — говорит Майкл Ланаган, профессор инженерных наук и механики, соавтор статьи. — Программа на основе искусственного интеллекта отлично справляется с выявлением закономерностей в огромном массиве научной литературы, но для успешного открытия новых материалов по-прежнему требуется глубокое понимание химии, кристаллических структур, процессов обработки и определения характеристик материалов. Это сотрудничество сыграло важную роль в разработке стратегии текстурирования, которая позволила значительно повысить плотность заряда с 440 до 620 пикокулонов на ньютон».
|
|
|
|
Использование керамики в устройстве
|
|
|
|
Чтобы продемонстрировать практический потенциал материала, исследователи внедрили KNN-BNKZT-SCZ в магнито-механоэлектрический генератор энергии, предназначенный для преобразования механической и магнитной энергии в полезную электрическую. Устройство, которое обычно используется для питания беспроводных датчиков, обеспечило плотность мощности около 705 микроватт на кубический сантиметр, превзойдя по этому показателю аналогичные системы и материал без текстурирования.
|
|
|
|
«Создание выдающегося материала — это только первый шаг. Его истинная ценность заключается в том, чтобы продемонстрировать надёжную работу в функциональном устройстве, — говорит Бед Пудель, профессор материаловедения и инженерии и автор исследования. — Эта работа особенно интересна тем, что мы протестировали материал в функциональном устройстве». Это вселяет в нас уверенность в том, что открытия, сделанные с помощью искусственного интеллекта, могут ускорить разработку высокоэффективных материалов для практического применения».
|
|
|
|
Источник
|
