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Efficient water desalination with graphene nanopores obtained using artificial intelligence

纳米孔 海水淡化 海水淡化 石墨烯 纳米技术 纳米材料 人工智能 计算机科学 卷积神经网络 材料科学 拓扑(电路) 工程类 化学 电气工程 生物化学
作者
Yuyang Wang,Zhonglin Cao,Amir Barati Farimani
出处
期刊:npj 2D materials and applications [Nature Portfolio]
卷期号:5 (1) 被引量:70
标识
DOI:10.1038/s41699-021-00246-9
摘要

Abstract Two-dimensional nanomaterials, such as graphene, have been extensively studied because of their outstanding physical properties. Structure and topology of nanopores on such materials can be important for their performances in real-world engineering applications, like water desalination. However, discovering the most efficient nanopores often involves a very large number of experiments or simulations that are expensive and time-consuming. In this work, we propose a data-driven artificial intelligence (AI) framework for discovering the most efficient graphene nanopore for water desalination. Via a combination of deep reinforcement learning (DRL) and convolutional neural network (CNN), we are able to rapidly create and screen thousands of graphene nanopores and select the most energy-efficient ones. Molecular dynamics (MD) simulations on promising AI-created graphene nanopores show that they have higher water flux while maintaining rival ion rejection rate compared to the normal circular nanopores. Irregular shape with rough edges geometry of AI-created pores is found to be the key factor for their high water desalination performance. Ultimately, this study shows that AI can be a powerful tool for nanomaterial design and screening.
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