Управляемая искусственным интеллектом роботизированная станция на источнике синхротронного излучения для ускоренной разработки новых перспективных материалов и их диагностики в режиме реального времени

Целью настоящего проекта является создание управляемой искусственным интеллектом роботизированной станции на источнике СИ для диагностики и ускоренной разработки материалов. Достижение цели опирается на междисциплинарный подход в решении трёх крупных задач: 1) техническая реализация методики вариации параметров синтеза для системы микрофлюидики на источниках синхротронного излучения, а также конструкции чипов, позволяющих проводить диагностику материалов в режиме реального времени при реалистичных технологических условиях; 2) разработка методики количественного анализа спектральных данных (инфракрасный, оптический, рентгеновский диапазоны) в режиме реального времени для обеспечения обратной связи с системой управления параметрами синтеза и решения задач оптимизации и управления алгоритмами искусственного интеллекта 3) валидация работы роботизированной станции и алгоритмов управления синтезом на примере ряда перспективных материалов. На первом этапе разработана концепция системы управления параметрами синтеза и измерительными методами с обратной связью для разных объёмов выборок с использованием различных алгоритмов машинного обучения. Выбраны оптимальные алгоритмы для задачи количественного анализа спектральных данных в зависимости от объема выборки спектров. Проведено исследование качества решения прямой и обратной задачи при уменьшении размерности входных данных за счёт вычисления дескрипторов спектра. Для тренировки алгоритмов анализа спектральных данных требовалось создать обучающие выборки спектров исследуемых материалов. Была разработана методика моделирования оптимальной объёмной структуры и структуры поверхности для биметаллических наночастиц в зависимости от их стехиометрии, состава, адсорбированных молекул. Рассчитаны базы данных теоретических спектров рентгеновского поглощения, дифракции, ИК поглощения для исследуемых объектов (моно- и биметаллические наночастицы, магнитные наночастицы, МОК до и после функционализации, комплексы родия с фосфинсодержащими и азотсодержащими лигандами). Проведён анализ существующих технологических решений для in situ диагностики методами инфракрасной, оптической рентгеновской спектроскопии, а также рентгеновской дифракции и малоуглового рассеяния света. Создан концепт ячейки, совместимой с микрофлюидной системой, оптимизированной для одновременной регистрации спектров инфракрасного, оптического и рентгеновского поглощения в ходе синтеза. Разработана методика измерения в жидкой фазе в капиллярах на источниках синхротронного излучения (включая рентгеновские лазеры на свободных электронах). В ходе предварительных испытаний получены результаты in situ диагностики структуры моно- и биметаллических наночастиц в процессе синтеза методами ИК-Фурье спектроскопии, UV-vis спектроскопии, динамического рассеяния света. Проведена диагностика загрязнённости водных объектов для подбора методик и пористых материалов in situ диагностики процесса сорбции ионов тяжелых металлов из раствора. Определены локальная атомная структура активных центров палладия в гомогенных катализаторах и локальная атомная структура активных центров родия в гомогенных катализаторах. Благодаря привлечению ведущих коллективов в области материаловедения разрабатываемая роботизированная станция будет применяться для оптимизации параметров синтеза и работы серии новых функциональных материалов. На первом этапе проведена диагностика лабораторными методами и отобраны наиболее перспективные методики синтеза и образцы для валидации работы станции. Была определена извлекающая способность металлорганических каркасных структур по отношению к радионуклидам (актиниды (U, Pu, Am, Np), продуктам деления (Cs, Sr)) в растворах с различным химическим составом. Разработаны методики синтеза биметаллических частиц состава Au-Pd; функционализации МОК семейства UiO, MIL для последующего роста моно-,би-металлических наночастиц внутри пор; синтеза матрицы носителей для тераностики на основе карбоната кальция с возможностью регулировать параметры в процессе синтеза в микрофлюидном реакторе; методика синтеза стабилизированных наночастиц палладия и рутения и соединений родия с фосфинсодержащими и азотсодержащими лигандами. Получены результаты каталитических испытаний на определение стабильности родий содержащих систем в гидро-формилировании альфа-олефинов в термостатируемых дифференциальных реакторах автоклавного типа и установлены зависимости между структурой и каталитической активностью гетерогенных катализаторов. Значимыми результатами проекта будут подготовка новых специалистов для работы на источниках СИ, привлечение новых пользователей, в том числе из областей, где ранее синхротронное излучение применялось редко; популяризация научных результатов среди молодых учёных и учащихся старших классов средней школы. На первом этапа разработано техническое задание на создание специализированного сетевого интернет-портала для популяризации и привлечения широкого круга исследователей, ранее не проводивших исследования на источниках синхротронного излучения. Создан дизайн-макет сайта и его внутренних разделов. Установлено и настроено оборудование для обеспечения технических потребностей сетевого интернет-портала. Разработан курс лекций в области применений источников синхротронного излучения для студентов и обучающихся и проведены проектные смены среди старшеклассников. Разработано программное обеспечение для систем виртуальной реальности, реализующее перемещение по 3d модели станции с визуализацией работы основных компонентов экспериментальной станции на источнике СИ. Разработано техническое задание на программное обеспечение, реализующее виртуальные экскурсии по Европейскому центру синхротронных исследований (ESRF, Франция) и Немецкому синхротронному центру DESY (Германия), European XFEL (Германия), ЦКП “СКИФ” (Россия), КИСИ (Россия) с открытым онлайн доступом. Разработана концепция проектной мастерской «Прикоснись к Мегасайенс» в рамках созданной зеркальной лаборатории «Лаборатория пикодиагностики материалов ЮФУ-НИЦ «Курчатовский институт» для студентов и обучающихся СУНЦ ЮФО, направленная на развитие научноисследовательских и инженерных навыков работы в области синхротронных исследований и их применений. Создан образовательный модуль (для включения в непрофильные программы бакалавриата, программы специалитета, программы магистратуры, программы подготовки научно-педагогических кадров в аспирантуре (адъюнктуре), программы ординатуры (химия, медицина, биология, геология, археология, искусство, материаловедение) в области применения источников синхротронного излучения. Организована и проведена в гибридном формате (онлайн и оффлайн) Международная школа для аспирантов и молодых ученых по перспективным направлениям исследований с использованием установок Мегасайенс, включающая в себя лекции, мастер-классы, семинары от ведущих ученых, а также устные и постерные доклады молодых ученых - участников Школы. Организована и проведена Школы молодых инноваторов «Юный Эйнштейн» (ШМИ), представляющая собой трехдневный очный интенсив для участников и включающая в себя комплекс тренингов, лекций, научнопрактических занятий, направленных на повышение интереса и получение новых знаний школьниками в области синхротронных исследований. Все задачи, поставленные на первом этапе, выполнены в полном объёме. Результаты работы подтверждаются выполнением показателей: 4 публикации в журналах, индексированных в международных базах данных, 2 заявки на получение патентов на изобретения, 2 разработанных технических решений в области синхротронных и нейтронных исследований. Уровень готовности технологий на данном этапе выполнения проекта – 2 (концепция технологии и/или ее применения сформулированы). Полученные результаты имеют высокий потенциал для практического применения. Ячейка для рентгеноспектральной диагностики жидкофазных образцов в контролируемой атмосфере при высоких давлениях и температурах в режиме 11 operando: Разработка позволяет определять с использованием жесткого синхротронного рентгеновского излучения тип активной фазы гомогенных катализаторов при реальных рабочих условий с целью улучшения каталитических свойств материалов. Система синтеза с онлайн спектральным контролем: Разработка позволяет в режиме реального времени получать структурные параметры активных каталитических центров на основе спектральных данных. Программа параметрической оптимизации динамической системы: В совокупности с системой онлайн спектрального контроля позволяет реализовать систему ускоренного управляемого синтеза новых материалов на источниках синхротронного излучения. Программа для систем виртуальной реальности, реализующая перемещение по 3d модели станции с визуализацией работы и устройства отдельных компонентов систем: Подготовка высококвалифицированных специалистов и пользователей для работы на новых источниках СИ, строящихся в России. Программа по анализу спектральных данных, прогнозирования и оптимизации параметров эксперимента в режиме реального времени на основе методов машинного обучения: Повышение качества исследовательских работ на источниках СИ за счёт онлайн анализа получаемых спектральных данных в ходе эксперимента и корректировке параметров эксперимента с целью получения достаточного объёма спектральных данных для ответа на поставленные задачи исследования.