量身定制的碳可以幫助科學(xué)家發(fā)現(xiàn)遺傳性疾病和正確劑量的藥物

用碳基材料制造的傳感器可以提供有關(guān)遺傳性疾病或體內(nèi)藥物濃度的獨特準(zhǔn)確且實時的信息。除藥物外，碳質(zhì)材料還用于電池，太陽能電池和水凈化。

碳基材料中幾乎總是存在其他元素，例如氫和氧，這會改變材料的性能。因此，為了滿足期望的用途而對材料進(jìn)行改性需要碳級表面結(jié)構(gòu)及其化學(xué)方面的原子級知識。阿爾托大學(xué)，劍橋大學(xué)，牛津大學(xué)和斯坦福大學(xué)的研究人員現(xiàn)在在描述碳質(zhì)材料的原子性質(zhì)方面邁出了重要的新一步。

可以通過X射線光譜學(xué)獲得有關(guān)碳表面的詳細(xì)信息，但是它產(chǎn)生的光譜難以解釋，因為它匯總了來自表面幾種局部化學(xué)環(huán)境的信息。研究人員開發(fā)了一種新的系統(tǒng)分析方法，該方法使用機器學(xué)習(xí)將計算模型(密度泛函理論)與碳樣品的實驗結(jié)果相集成。新方法可以將X射線光譜法產(chǎn)生的實驗光譜分離為原子級數(shù)據(jù)。

“過去，根據(jù)不同的文獻(xiàn)參考，對實驗結(jié)果的解釋有所不同，但是現(xiàn)在我們只能使用計算參考來分析結(jié)果。新方法使我們對碳表面化學(xué)有了更好的了解，而沒有人為的偏見”，阿爾托大學(xué)的博士生Anja Aarva說。

新方法擴展了碳基材料的知識

在一個分為兩部分的研究中，研究人員最初研究了不同結(jié)合的碳如何定性地影響實驗光譜的形成。然后，研究人員試圖將測量光譜與計算光譜參考數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，以獲得對實驗光譜組成的定量估計。這是為了幫助他們確定原子級碳樣品的性質(zhì)。這種新方法適合分析各種形式的碳，例如石墨烯，金剛石和無定形碳的表面化學(xué)。

該研究是阿爾托大學(xué)博士后研究員Miguel Caro和牛津大學(xué)Volker Deringer教授的工作的延續(xù)，該研究廣泛地繪制了無定形碳的結(jié)構(gòu)和反應(yīng)性。這項研究利用了劍橋大學(xué)Volker Deringer教授和GaborCsányi教授開發(fā)的機器學(xué)習(xí)方法。實驗測量是由斯坦福大學(xué)的Aalto博士后研究員Sami Sainio進(jìn)行的。

“接下來，我們打算使用我們開發(fā)的方法來預(yù)測，例如哪種碳表面最適合電化學(xué)鑒定某些神經(jīng)遞質(zhì)，然后嘗試產(chǎn)生所需的表面。這樣，計算工作將為我們提供指導(dǎo)。實驗工作，而不是過去的情況，反之亦然，”阿爾托大學(xué)教授Tomi Laurila說。