Искусственный интеллект поможет создавать полимеры для биологической электроники

Инженерные полимеры перспективны для создания устройств нового поколения, таких как системы сбора света и имплантируемая электроника, взаимодействующая с нервной системой. Однако разработка полимеров с нужным сочетанием химических, физических и электронных свойств остается сложной задачей. Новое исследование показывает, как можно целенаправленно настраивать электронные свойства полимеров для конкретных применений.

Работа опубликована в журнале Matter. «Кремниевая электроника существует десятилетиями, и мы хорошо понимаем электронные свойства используемых в ней материалов, — говорит соавтор исследования Арам Амассиан, профессор науки о материалах в Университете штата Северная Каролина. — Но сейчас мы пытаемся разработать новое поколение электроники, использующее полимеры, например, в биоэлектронике, и у нас пока нет детального понимания, как обработка и инженерия полимеров влияют на их электронные свойства».

Чтобы сделать полимеры электронно полезными, создают сопряженные полимеры, способные переносить заряд. Для управления количеством переносимого заряда полимер «легируют» — добавляют вторую молекулу, изменяющую электронные свойства материала.

«Однако увеличить количество заряда, который может переносить полимер, не так просто, как добавить больше легирующих агентов, — объясняет Амассиан. — Электронные свойства зависят от множества переменных и ухудшаются при избытке допанта. Используя традиционные экспериментальные методы, выяснение всех взаимосвязей заняло бы вечность».

Для решения этой задачи исследователи создали систему DopeBot, использующую алгоритмы искусственного интеллекта и высокопроизводительную обработку. Система провела 224 эксперимента с полимером pBTTT и легирующим агентом F4TCNQ, варьируя параметры, такие как растворитель и температура процесса. Результаты каждого цикла экспериментов характеризовались и передавались обратно в DopeBot для планирования следующих шагов.

Полученные данные о параметрах экспериментов, молекулярной структуре и электронных свойствах легированных полимеров были проанализированы с помощью передовых аналитических методов. Для перехода от корреляции к причинно-следственным связям авторы использовали квантово-химические расчеты, которые раскрыли взаимосвязь между расположением допантов в полимере и электронными свойствами.

«Эта работа проливает свет на химические и физические характеристики, играющие ключевую роль в придании инженерным полимерам нужных электронных свойств, — говорит Амассиан. — Это крайне важно для инженерии полимеров под конкретные приложения».

Исследователи уже развивают эту работу совместно с коллегами из Университета Буффало и Технологического института Карлсруэ в Германии, чтобы создать органические биоэлектронные материалы, готовые к внедрению в здравоохранение и другие области.