Наночастицы в движении: ученые увидели невидимое

Группа ученых придумала новый способ, который позволяет наблюдать за тем, как ведут себя наночастицы — крошечные частицы, которые играют ключевую роль в создании лекарств, электроники, промышленных материалов и устройств для преобразования энергии.

Об этом исследовании опубликовали статью в журнале Science. Ученые объединили искусственный интеллект (ИИ) с электронной микроскопией, чтобы увидеть, как наночастицы реагируют на разные воздействия.

Карлос Фернандес-Гранда, директор Центра науки о данных Нью-Йоркского университета и один из авторов исследования, объясняет:

Наночастицы используются в каталитических процессах, которые важны для производства почти 90% всех продуктов. Мы создали метод, который позволяет заглянуть внутрь материалов и увидеть, как они меняются на уровне атомов.

В исследовании участвовали ученые из Университета штата Аризона, Корнельского университета и Университета Айовы. Они использовали электронную микроскопию, чтобы получать изображения с очень высоким разрешением, но проблема была в том, что атомы наночастиц движутся слишком быстро. Это создавало много «шума» в данных, и ученые не могли точно понять, что происходит. Чтобы решить эту проблему, они применили ИИ, который научился убирать шум и показывать, как именно движутся атомы.

Питер А. Крозье, профессор материаловедения из Университета штата Аризона, говорит:

Электронная микроскопия дает четкие изображения, но когда атомы движутся быстро, данные становятся очень зашумленными. Наш метод ИИ автоматически убирает этот шум, и мы можем увидеть, как ведут себя атомы в реальном времени.

Наблюдать за движением атомов важно, потому что это помогает понять, как наночастицы работают в промышленности. Но проблема в том, что атомы едва видны в данных — это как пытаться разглядеть что-то на видео, снятом ночью на старую камеру. Ученые обучили нейронную сеть (это тип ИИ), которая «подсвечивает» изображения, полученные с микроскопа, и показывает, где находятся атомы и как они движутся.

Дэвид С. Маттесон, профессор статистики из Корнельского университета, добавляет:

Частицы могут быстро менять свою форму, структуру и ориентацию. Чтобы понять это, нам пришлось разработать новые статистические методы. Мы использовали анализ данных, чтобы отслеживать, как частицы переходят из одного состояния в другое.

Что удалось сделать ученым:

• Объединили электронную микроскопию и ИИ для наблюдения за наночастицами.
• Научились убирать шум из данных, чтобы видеть движение атомов.
• Разработали новые методы анализа, чтобы понимать, как частицы меняются.

Ранее ученые сообщили, что наночастицы селена укрепляют иммунитет.

03.03.2025