布鲁克海文国家实验室的阿丽亚娜·坦蒂洛 原型去角质产品的照片
机器人系统将剥离的二维薄片从母体晶体转移到衬底上
剥离器允许科学家控制冲压压力、压制时间、重复压制次数、压制角度和转移过程中施加的横向力，以提高可重复性
学分:布鲁克海文国家实验室 从图书馆借出一摞书就像搜索图书馆的目录和使用唯一的电话号码把每本书从它们的书架位置拉出来一样简单
利用类似的原理，CFN功能纳米材料中心的科学家
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位于布鲁克海文国家实验室的能源部科学用户设施办公室——正在与哈佛大学和麻省理工学院合作，创建一个同类中第一个自动系统，将原子级薄的二维(2-D)材料分类，并将其堆叠成分层结构
该系统被称为量子材料出版社(Quantum Material Press)，将加速量子信息科学(QIS)新兴领域下一代材料的发现
由于在如此小的(量子)尺寸尺度下出现的奇异的电子、磁性和光学特性，通过堆叠从不同母体大块晶体剥离的单原子层(“薄片”)获得的结构是令人感兴趣的
然而，薄片剥落目前是一种手动过程，产生各种薄片尺寸、形状、取向和层数
科学家使用高倍光学显微镜人工搜寻成千上万的薄片，以找到想要的薄片，这种搜索有时需要几天甚至一周的时间，并且容易出现人为错误
一旦定位了来自不同晶体的高质量二维薄片并表征了它们的性质，它们就可以以期望的顺序组装以产生层状结构
堆叠非常耗费时间，组装一个单层结构通常需要一个月以上的时间
为了确定生成的结构是否最适合QIS应用——从计算和加密到传感和通信——科学家需要对结构的属性进行表征
“在与哈佛和麻省理工学院合成和研究这些分层异质结构的大学合作者交谈时，我们了解到，虽然存在一些自动化——比如定位薄片的软件和操纵薄片的操纵杆——但没有完全自动化的解决方案，”CFN董事查尔斯·布莱克说，他是量子新闻项目的管理负责人
2018年初，哈佛大学物理系的阿米尔·雅科比教授提出了成立量子出版社的想法
这个概念后来通过雅科比的合作得到了完善；布莱克和凯文·雅戈，CFN电子纳米材料集团的领导者；菲利普·金，也是哈佛大学物理系的；和巴勃罗·亚里洛-赫雷罗以及约瑟夫·切尔斯基，他们都是麻省理工学院物理系的
布莱克说，CFN的独特角色很明确:“我们意识到，制造一个能够设计、合成和测试量子材料的机器人，与CFN大学科学家的技能和专业知识极其匹配
作为一个用户设施，CFN是科学界的一个资源，而QIS是我们的增长领域之一，我们正在扩大我们的能力、科学项目和人员
" 显示对薄片位置和属性进行编目的工作流程的示意图
脱落样本的图像网格被自动分析，每个薄片被单独跟踪，这样科学家就可以在样本上找到任何想要的薄片
学分:布鲁克海文国家实验室 石墨烯引发二维材料研究 对二维材料的兴趣可以追溯到2004年，当时曼彻斯特大学的科学家分离出了世界上第一种二维材料——石墨烯——一层碳原子
他们使用了一种令人惊讶的基本技术，将一块石墨(铅笔的核心材料)放在透明胶带上，反复将胶带对折，并将其剥离，以提取越来越薄的薄片
然后，他们在平面上摩擦胶带来转移薄片
在光学显微镜下，一个原子厚的薄片可以通过它们的反射率来定位，表现为非常微弱的斑点
2010年获得诺贝尔奖，石墨烯的发现及其不寻常的性质——包括其非凡的机械强度、导电性和导热性——促使科学家探索其他二维材料
许多实验室继续使用这种费力的方法来制作和寻找二维薄片
虽然这种方法使科学家能够对石墨烯进行各种测量，但数百种其他晶体——包括磁体、超导体和半导体——可以像石墨一样剥离
此外，不同的二维薄片可以堆叠在一起，形成前所未有的材料
科学家最近发现，这些堆叠结构的性质不仅取决于层的顺序，还取决于层中原子之间的相对角度
例如，只要控制这个角度，材料就可以从金属状态转变为绝缘状态
鉴于科学家希望探索的样品种类繁多，以及人工合成方法容易出错且耗时，因此非常需要自动化方法
布莱克说:“最终，我们想开发一种机器人，它可以根据科学家通过网络界面选择的二维薄片序列和晶体方向，向机器提供堆叠结构。”
“如果成功的话，QPress将使科学家花费时间和精力研究材料，而不是制造材料
" 模块化方法 2018年9月，质量出版社的进一步发展获得了美国能源部的资助，该资助分两部分进行
其中一个奖项是由布莱克领导的布鲁克海文的QPress硬件开发；雅戈；CFN科学家格雷戈里·多尔克、亚伦·斯坦和耶日·萨多夫斯基；和CFN科学助理杨在信
另一个奖项是由雅科比、金、贾里罗-赫雷罗和契克尔斯基领导的一个协作研究项目
哈佛和麻省理工学院的物理学家将使用量子阱来研究超导的奇异形式——某些材料在非常低的温度下传导电流而不损失能量的能力——这种能力存在于超导体和磁体的界面上
一些科学家认为，这种奇异的物质状态是推进量子计算的关键，量子计算有望超越当今最强大的超级计算能力
一个完全集成的自动化机器，由一个去角质器、一个编目器、一个图书馆、一个堆垛机和一个表征器组成，预计将在三年内完成
但是，这些模块将分阶段上线，以便尽早使用QPress
完成后，印刷机将有五个模块:剥离器、编目器、材料库、堆叠器和表征器/制作器
学分:布鲁克海文国家实验室 团队已经取得了一些进展
他们制作了一个原型去角质器，模仿人类从石墨晶体上剥离薄片的动作
剥离器将聚合物印模压入大块母晶体中，并通过将剥离的薄片压到基底上来转移它们
在他们的第一组实验中，研究小组研究了改变各种参数——冲压压力、压制时间、重复压制次数、压制角度和转移过程中施加的横向力——对过程的影响
“使用机器人的一个优点是，与人类不同，它每次都能重现相同的运动，我们可以优化这些运动来产生大量非常薄的大薄片，”雅戈解释说
“因此，去角质器将通过改进过程的速度、精度和可重复性来提高从母体晶体上剥落的二维薄片的质量和数量
" 与石溪大学计算机科学系助理教授阮明和博士合作
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计算机视觉实验室的学生汪波宇说，科学家们还在建造一个薄片编目器
通过图像分析软件，编目员扫描基底并记录剥落薄片的位置及其特性
“科学家感兴趣的薄片很薄，因此很模糊，所以人工目视检查是一个费力且容易出错的过程，”阮说
“我们正在使用最先进的计算机视觉和深度学习技术来开发软件，以更高的精度自动化这一过程
" “我们的合作者说，一个能够绘制他们的薄片样本并显示“好的”薄片所在位置的系统——由他们定义的参数决定——将对他们非常有帮助，”雅戈说
“我们现在拥有这种能力，并希望将其投入使用
" 最终，该团队计划在书架上储存一大套不同的编目薄片，类似于图书馆里的书
然后，科学家可以访问这个材料库，选择他们想要使用的薄片，然后量子印刷机将检索它们
据布莱克称，最大的挑战将是堆垛机的构造——这是一个从库中检索样本的模块，“驱动”到选定的薄片所在的位置，拾取薄片并将其放入重复的过程中，以根据科学家编程到机器中的组装指令构建堆栈
最终，科学家们希望堆垛机不仅能比手工方法更快，而且能更精确地组装分层结构
机器人的最后一个模块将是一个材料表征器，它将在整个合成过程中提供实时反馈
例如，表征器将通过低能电子衍射离子(LEED)来识别剥落薄片和层状结构的晶体结构和取向，这是一种将低能电子射向样品表面以产生表征表面几何形状的衍射图案的技术
“交付全自动解决方案有许多步骤，”布莱克说
“我们打算在QPress功能可用时实施它们，以最大限度地为QIS社区带来好处
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