Eine künstliche Intelligenz hat mehr als 25 Stunden damit verbracht, Moleküle einzeln zu verschieben, um eine Struktur mit im Voraus festgelegten elektronischen Eigenschaften herzustellen.
Das Experiment wurde im Oak Ridge National Laboratory in den Vereinigten Staaten durchgeführt. Um Materie in einem derart kleinen Maßstab zu manipulieren, verwenden die Forschenden ein Rastertunnelmikroskop. Seine extrem feine Spitze kann über eine Oberfläche bewegt werden und dazu dienen, Moleküle zu verschieben. Dieser Vorgang erfordert normalerweise viel Zeit und Präzision von einer menschlichen Bedienperson.
Die Forschenden übertrugen einen großen Teil dieser Arbeit an ein automatisiertes System. Eine erste künstliche Intelligenz erkennt die auf einer Kupferoberfläche abgelagerten Kohlenmonoxidmoleküle. Die Software bestimmt anschließend, welche Moleküle verschoben werden müssen und an welche Positionen. Die Spitze des Mikroskops führt dann die erforderlichen Bewegungen aus.
Das System lernt außerdem, wie jedes Molekül am besten verschoben wird. Es passt unter anderem bestimmte elektrische Parameter und die Bewegungsgeschwindigkeit anhand der Ergebnisse seiner vorherigen Versuche an. Eine erfolgreiche Manipulation bringt ihm eine Belohnung. Diese Methode, die als bestärkendes Lernen bezeichnet wird, ermöglicht es dem System, seine Entscheidungen schrittweise zu verbessern, ohne dass ein Mensch jede Bewegung festlegt.
Um das Ganze zu testen, bat das Team das System, eine aus 37 bienenwabenförmig angeordneten Molekülen bestehende Struktur zu bauen. Dieses Muster bildet bestimmte Eigenschaften von Graphen künstlich nach, einem Material, das aus einer einzigen Schicht Kohlenstoffatome besteht. Der Aufbau erforderte etwa 900 Vorgänge und dauerte mehr als 25 Stunden.
Die Form herzustellen, reichte nicht aus. Anschließend maßen die Forschenden, wie sich die Elektronen darin verhielten. Sie fanden eine für Graphen charakteristische elektronische Signatur, den sogenannten Dirac-Punkt. Mit anderen Worten: Die Anordnung der Moleküle hatte nicht nur das richtige Aussehen, sondern erzeugte tatsächlich das gewünschte elektronische Verhalten.
Die Automatisierung ist jedoch noch nicht vollständig. Die Spitze des Mikroskops kann instabil werden und muss manchmal von einer Bedienperson instand gesetzt werden. Jede Verschiebung dauert außerdem etwa eine Minute. Die Technik ist daher noch weit von einem industriellen Verfahren entfernt, mit dem sich ganze Bauteile schnell herstellen lassen.
Der Nutzen liegt eher in der Möglichkeit, neue Strukturen mit deutlich weniger menschlichen Eingriffen zu testen. Indem die Forschenden Moleküle präzise platzieren, können sie verändern, wie die Elektronen durch die Anordnung fließen. So können sie künstliche Materialien untersuchen, deren Eigenschaften durch ihre Organisation im kleinsten Maßstab bestimmt werden.
Ein nächster Schritt wäre, das Vorgehen vollständig umzukehren. Statt eine zu bauende Struktur vorzugeben, würden die Forschenden lediglich die gewünschte elektronische Eigenschaft angeben. Das System könnte dann selbst die entsprechende molekulare Anordnung bestimmen und anschließend versuchen, sie mit dem Mikroskop herzustellen.