近日，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院材料所喻學(xué)鋒、趙海濤團(tuán)隊(duì)在國際學(xué)術(shù)期刊《化學(xué)工程雜志》Chemical Engineering Journal 上發(fā)表題為“Robotic platform for accelerating the high-throughput study of silver nanocrystals in sensitive/selective Hg²⁺ detection”的文章。該工作將光學(xué)仿真、數(shù)據(jù)建模、自動(dòng)化合成、原位表征、機(jī)器學(xué)習(xí)等方式融合實(shí)現(xiàn)銀納米晶的高通量及其原位應(yīng)用研究，加速材料應(yīng)用在可視化傳感檢測(cè)當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)膠體光學(xué)材料高通量數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)研究的科學(xué)新范式。中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院博士后邢理想為論文第一作者，喻學(xué)鋒研究員和趙海濤副研究員為論文共同通訊作者，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院為論文第一單位。  

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　　銀納米晶由于優(yōu)異的光電性質(zhì)，在傳感檢測(cè)、能源催化、抗菌醫(yī)藥等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，而其光學(xué)性質(zhì)又與材料形貌結(jié)構(gòu)、尺寸分布、表面配體等密切相關(guān)。在過去的研究中主要通過單因素優(yōu)化實(shí)現(xiàn)材料的可控合成，進(jìn)而調(diào)控材料的光學(xué)性質(zhì)，這往往依靠經(jīng)驗(yàn)式方法和密集型人力勞動(dòng)，建立的合成數(shù)據(jù)庫存在著有效樣本容量少、結(jié)果可重復(fù)性差等問題，嚴(yán)重制約了銀納米晶的研究和應(yīng)用。隨著人工智能在材料科學(xué)領(lǐng)域的興起，為材料大數(shù)據(jù)樣本的獲取提供了可能，結(jié)合光學(xué)仿真和機(jī)器學(xué)習(xí)對(duì)材料基因組信息進(jìn)行有效的分類和篩選，有望實(shí)現(xiàn)多因素作用下材料的可控合成和目標(biāo)應(yīng)用。該研究通過整合光學(xué)仿真、數(shù)據(jù)建模、自動(dòng)化合成、原位表征、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)方式，實(shí)現(xiàn)多因素作用下銀納米晶的優(yōu)化合成和高通量篩選，突破傳統(tǒng)膠體光學(xué)材料在可控合成和色彩應(yīng)用上的局限，加速目標(biāo)材料應(yīng)用于可視化檢測(cè)汞離子當(dāng)中。  

　　首先，通過Mie理論對(duì)材料的理想光學(xué)性能進(jìn)行仿真預(yù)測(cè)，建立目標(biāo)光學(xué)性質(zhì)（光譜半峰寬、峰位）與材料形貌尺寸（分布狀況、尺寸）之間的數(shù)字化聯(lián)系，進(jìn)而數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)指導(dǎo)銀納米晶的自動(dòng)化合成和高通量篩選。針對(duì)自動(dòng)化合成中的關(guān)鍵參數(shù)（穩(wěn)定劑、形貌控制劑、還原劑），進(jìn)行高通量濕化學(xué)合成和原位光學(xué)表征（光譜、色彩），對(duì)大樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的分類和篩選，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法，建立多因素合成參數(shù)與材料形貌分布之間的復(fù)雜模型。在實(shí)現(xiàn)可控合成的基礎(chǔ)上（有效樣品數(shù)>1200），進(jìn)一步構(gòu)建材料色彩（RGB值）與晶粒尺寸之間的數(shù)學(xué)模型，可以作為快速鑒定銀納米晶尺寸的可視化指標(biāo)和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫。得益于這些模型的構(gòu)建，可以對(duì)目標(biāo)材料配方進(jìn)行有效放大和精細(xì)化量產(chǎn)，作為基底應(yīng)用在可視化傳感檢測(cè)當(dāng)中，顯著提升了溶液中汞離子可重復(fù)檢測(cè)的線性范圍（0.01-200 μM）和靈敏度（3 nM），比色法性能明顯優(yōu)于其它已報(bào)道的材料基底。  

　　該工作展示的高通量研究方法具有優(yōu)越的科學(xué)性和應(yīng)用潛力，其數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)材料創(chuàng)新可以拓展應(yīng)用在其它膠體光學(xué)材料當(dāng)中，并為人工智能、機(jī)器人、材料科學(xué)、環(huán)境檢測(cè)等領(lǐng)域的交叉研究開辟了新的道路。  

　　本研究得到了國家自然科學(xué)基金、廣東省自然科學(xué)基金、深圳市自然科學(xué)基金、深港澳科技計(jì)劃以及騰訊犀牛鳥科研基金等項(xiàng)目的大力支持。  

高通量研究銀納米晶的流程示意圖