Một bước đột phá trong lĩnh vực vật liệu từ tính vừa được các nhà khoa học Mỹ công bố, hứa hẹn làm thay đổi ngành năng lượng và xe điện. Phòng thí nghiệm Quốc gia Ames đã phát triển thành công quy trình sử dụng trí tuệ nhân tạo (AI) để thiết kế nam châm vĩnh cửu hiệu năng cao mà không cần đến các nguyên tố đất hiếm. Điều này không chỉ giảm sự phụ thuộc vào chuỗi cung ứng nước ngoài mà còn đảm bảo an ninh cho các lĩnh vực công nghệ quan trọng.
Vai trò của nam châm vĩnh cửu trong đời sống hiện đại
Nam châm vĩnh cửu là thành phần không thể thiếu trong nhiều thiết bị hiện đại, từ lưu trữ dữ liệu, vận hành xe điện (EV) cho đến các thiết bị chẩn đoán y tế chất lượng cao. Hiện nay, các loại nam châm vĩnh cửu hiệu năng cao thường được chế tạo từ các nguyên tố đất hiếm, đóng vai trò quan trọng trong cả quốc phòng lẫn sản xuất năng lượng. Tuy nhiên, việc phụ thuộc vào nguồn cung tinh chế từ nước ngoài, đặc biệt là Trung Quốc, đã đặt nước Mỹ trước những thách thức lớn về chi phí và rủi ro an ninh chuỗi cung ứng.
Giải pháp từ trí tuệ nhân tạo
Để giải quyết bài toán này, các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Ames, dẫn đầu bởi nhà khoa học Prashant Singh, đã phát triển một quy trình hệ thống kết hợp các mô hình dựa trên vật lý, mô phỏng tốc độ cao với các công cụ AI dựa trên suy luận. Phương pháp này cho phép các nhà khoa học hướng dẫn quá trình khám phá vật liệu mới ngay cả trước khi chúng được tạo ra trong phòng thí nghiệm.
Điểm mấu chốt của phương pháp này là việc huấn luyện hệ thống AI trên dữ liệu các thuộc tính vật liệu đã được đo lường thực nghiệm và tính toán khoa học chính xác, thay vì chỉ sử dụng dữ liệu tổng quát. Theo ông Prashant Singh, việc thấu hiểu các nguyên lý vật lý chi phối đặc tính vật liệu là yêu cầu cốt lõi khi thiết kế vật liệu mới. Nếu chỉ dựa vào dữ liệu huấn luyện thông thường, mô hình sẽ chỉ đưa ra các dự đoán trong phạm vi thông tin đã biết. Ngược lại, khi hiểu rõ các quy luật vật lý, các công cụ AI có thể tìm kiếm và phát hiện tiềm năng trong không gian vật chất rộng lớn hơn nhiều.
Lợi thế của phương pháp mới
Lợi thế của phương pháp này là khả năng sử dụng cấu trúc nguyên tử và hành vi điện tử để xác định đặc tính vật liệu. Các thông số then chốt như độ mạnh từ hóa, khả năng chống khử từ, dung lượng lưu trữ năng lượng và hành vi của nam châm ở nhiệt độ cao đều được tính toán thông qua mô hình AI. Điều này giúp sàng lọc các ứng cử viên vật liệu triển vọng nhất trước khi tiến hành các thí nghiệm vật lý tốn kém.
Phòng thí nghiệm Ames đã tận dụng chuyên môn sâu rộng và bề dày kinh nghiệm trong lĩnh vực từ trường để xây dựng các công cụ lý thuyết và phân tích mạnh mẽ. Việc tích hợp AI vào quy trình này không chỉ giúp đẩy nhanh tốc độ nghiên cứu mà còn mở rộng phạm vi tìm kiếm vật liệu. Đặc biệt, các công cụ AI còn được lập trình để cân nhắc tính sẵn có và chi phí của nguyên liệu, đảm bảo rằng các vật liệu được phát triển không chỉ tối ưu về hiệu suất mà còn có khả năng sản xuất với quy mô lớn và phù hợp với thực tế kinh tế.
Tác động đến chuỗi cung ứng và tương lai
Công nghệ nam châm đất hiếm cho xe điện hiện đang là một trong những quân bài chiến lược của Trung Quốc. Việc Mỹ phát triển thành công nam châm vĩnh cửu không cần đất hiếm sẽ giúp giảm sự phụ thuộc vào nguồn cung từ nước ngoài, đồng thời tạo ra sự chủ động trong chuỗi cung ứng vật liệu tương lai. Thông qua việc kết hợp công nghệ hiện đại với sự hiểu biết sâu sắc về vật lý, các nhà nghiên cứu tại Ames đã giải quyết toàn diện quy trình từ giai đoạn khám phá cơ bản đến khi sản phẩm sẵn sàng đưa vào sản xuất công nghiệp. Những nỗ lực này đóng vai trò quan trọng trong chiến lược của Mỹ nhằm giảm bớt sự phụ thuộc vào các quốc gia khác đối với những linh kiện công nghệ quan trọng.
