Uutiset

Timantinkaltainen hiili syntyykin eri lailla kuin on uskottu – koneoppiminen mahdollisti uuden mallin kehittämisen

Räätälöityjä hiilipintoja voidaan hyödyntää muun muassa lääketieteessä ja vedenpuhdistuksessa.
Saapuvien ja osuman saaneiden atomien liikeradat tetraedrisen amorfisen hiilen pinnoituksen aikana.

Aalto-yliopiston ja Cambridgen yliopiston tutkijat ovat tehneet merkittävän läpimurron laskennallisissa tieteissä yhdistämällä atomitason mallinnusta ja koneoppimista. Menetelmällä on ensimmäistä kertaa voitu mallintaa realistisesti se, miten amorfiset hiilifilmit muodostuvat atomitasolla. Amorfisella materiaalilla tarkoitetaan materiaalia, jolla ei ole säännöllistä kiderakennetta. Menetelmää voidaan hyödyntää myös useiden muiden materiaalien tutkimisessa.

”Onnistumisen salaisuus on koneoppiminen, jonka avulla voimme mallintaa tuhansien atomien käyttäytymisen pitkällä ajanjaksolla. Näin mallista on saatu todenmukaisempi kuin aikaisemmin”, kertoo tutkijatohtori Miguel Caro.

Simuloinnit paljastivat, että timantinkaltainen hiilifilmi syntyy atomitasolla eri tavalla kuin on oletettu. Viimeiset 30 vuotta vallalla ollut käsitys filmin syntymekanismista on perustunut oletuksille ja epäsuorille kokeellisille tuloksille. Hyvää tai edes välttävää atomitason mallia ei ole ennen ollut käytettävissä. Nyt uusi menetelmä kumosi aiemmat kvalitatiiviset mallit ja antoi tarkan atomitason kuvan syntymekanismista.

”Aiemmin amorfisten hiilifilmien kuviteltiin syntyvän atomien pakkautuessa pienelle alueelle, mutta me todistimme, että mekaanisen shokkiaallon vaikutuksesta timantinkaltaiset atomit syntyvät itseasiassa kauempana siitä kohdasta, mihin atomeja ammutaan”, sanoo Caro, joka toteutti simuloinnit CSC:n (Tieteen tietotekniikan keskus) supertietokoneilla.

Tulos mahdollistaa merkittäviä uusia tutkimuspolkuja

Amorfisen hiilen käyttökohteita on lukematon määrä. Sitä käytetään pinnoitteina useissa mekaanisissa sovelluksissa, esimerkiksi auton moottoreissa. Lisäksi materiaalia voidaan hyödyntää muun muassa lääketieteessä ja erilaisissa energia-, bio- ja ympäristösovelluksissa.

”Meille tärkein sovellus ovat bioanturit. Olemme käyttäneet hyvin ohuita amorfisia hiilipinnoitteita erilaisten biomolekyylien tunnistukseen. Näissä sovelluksissa on erittäin tärkeää tuntea filmien sähköiset, kemialliset ja sähkökemialliset ominaisuudet ja pystyä räätälöimään materiaali tiettyyn sovellukseen sopivaksi”, kertoo professori Tomi Laurila.

Uusi koneoppimiseen pohjautuvat menetelmä auttaa monen eri kokeellisen materiaalitutkimuksen tekijöitä, sillä se kykenee antamaan tietoa materiaaleista lähes kvanttimekaanisten menetelmien tarkkuudella mutta mahdollistaa samalla tuhansien atomien ja pitkien aikaskaalojen käytön.

”Olen erittäin innoissani siitä, millaisia mahdollisuuksia tämä menetelmä tarjoaa jatkotutkimusten kannalta. Tämä atomitason malli tuottaa todistetusti oikeita ja kokeita erinomaisesti vastaavia tuloksia paljastaen kuitenkin ensikertaa tulosten takana olevat atomitason ilmiöt. Mallin avulla voimme esimerkiksi ennustaa, millainen hiilipinta olisi paras vaikkapa hermovälittäjäaine dopamiinin tai serotoniinin mittaamiseen”, sanoo Laurila.

”Yhteistyömme on ollut erittäin menestyksekästä ja jatkamme tutkimuksen tekemistä yhdessä jatkossakin”, sanoo Volker Deringer Cambridgen yliopistosta ja toteaa olevansa hyvin innostunut soveltamaan näitä menetelmiä amorfisten materiaalien tutkimiseen.

Tutkimus on julkaistu Physical Review Letter -lehdessä:

Miguel A. Caro, Volker L. Deringer, Jari Koskinen, Tomi Laurila, and Gábor Csányi
Growth Mechanism and Origin of High sp3 Content in Tetrahedral Amorphous Carbon
Phys. Rev. Lett. 120, 166101 (2018)

Lisätietoja:

Miguel Caro
tutkijatohtori
Aalto-yliopisto
[email protected]
+ 358 504079988

Tomi Laurila
Professori
Aalto-yliopisto
[email protected]
+358 503414375

Dr Volker Deringer
Leverhulme Early Career Fellow
University of Cambridge
[email protected]
+44 7494 989967

 

  • Julkaistu:
  • Päivitetty:
Jaa
URL kopioitu

Lue lisää uutisia

Lauri Parkkonen and the family cat, Roosa. Photo: Lauri Parkkonen, Aalto, University.
Mediatiedotteet Julkaistu:

Mitä koirien ja kissojen aivoissa tapahtuu? Uusi kuvantamismenetelmä selvittää lemmikkien mielen saloja

Aalto-yliopiston professori Lauri Parkkosen ryhmä on vuosia kehittänyt kvanttioptisia antureita aivomagneettikäyrän eli magnetoenkefalografian (MEG) mittaamiseen. Toisin kuin perinteisessä MEG-laitteessa, jossa hyvin kylmässä toimivat suprajohtavat anturit vaativat ympärilleen senttimetrejä paksun lämpöeristeen, nämä uudet huoneenlämpötilassa toimivat anturit voidaan tuoda suoraan pään pinnalle. Tämä mahdollistaa entistä tarkemmat aivomagneettikäyrien mittaukset. MEG-kuvantaminen on tutkittavalle kivutonta ja turvallista.
Kuvaa laitteittosta Aalto-yliopsiton Kylmälaboratoriossa.
Mediatiedotteet Julkaistu:

Ikuinen liike on mahdollista – Aalto-yliopiston Kylmälaboratoriossa havainnoitiin kahden fysiikan lait haastavan aikakiteen välistä vuorovaikutusta

Aikakiteet ovat aineen olomuoto, jossa hiukkaset liikkuvat ikuisesti toistuvassa rytmissä ilman ulkopuolista energiaa. Tutkijat onnistuivat luomaan Aalto-yliopiston Kylmälaboratoriossa kaksi aikakidettä ja tarkkailemaan niiden välistä vuorovaikutusta. Tulevaisuudessa aikakiteitä voi hyödyntää erilaisissa laitteissa, kuten kvanttitietokoneiden muistina.
Valkoinen laboratoriotakki sekä analyysityökalu, jolla voidaan mitata veripisarasta särkylääkkeen pitoisuus.
Mediatiedotteet Julkaistu:

Kannettava ja nopea analysointityökalu voi mullistaa kipulääkkeiden diagnostiikkamarkkinat

Aalto-yliopistosta ponnistanut startup-yritys Fepod Oy Ltd on kehittänyt diagnoosimenetelmän, jolla potilaan veren kipulääkepitoisuus voidaan selvittää nopeasti ja edullisesti suoraan hoitopaikalla.
Yhdistelmäkuva, jossa näkyy revontulia, Maa, mittauksia.
Mediatiedotteet Julkaistu:

Suomi 100 -satelliitti teki sen, mihin aiemmin pystyivät vain paljon suuremmat: kuvasi ja tutki revontulia

Revontulialueen tutkiminen auttaa esimerkiksi turvallisten tietoliikenneyhteyksien kehittämisessä.