När forskare gör en ny upptäckt, de tenderar att bara publicera resultaten av sina framgångsrika experiment. Men lika informativa är alla experiment som inte fungerade – de misslyckade försöken och felaktiga hypoteser, som kan ge viktig information. Ett team av EPFL-kemister har utvecklat en metod för att samla in dessa lektioner och, avgörande, dela dem med andra forskare.

En ny upptäckt är sällan resultatet av ett framgångsrikt experiment. Snarare, det föds vanligtvis ur en lång process av försök och misstag – kombinerat med en hälsosam dos av intuition som forskarna har finslipat genom åren. Men att dela kunskap om misslyckade försök kan göra forskning lättare för alla, speciellt inom området kemisk syntes. Det är vad ett team av kemister från EPFL:s Laboratory of Molecular Simulation (LSMO) nyligen har visat i en artikel som visas i Naturkommunikation

LSMO, baserad i Sion, är specialiserat på att syntetisera och simulera metall-organiska ramverk (MOF) – en speciell typ av förening som upptäcktes för cirka 20 år sedan. MOFs består av metalljoner sammanlänkade av organiska molekyler för att bilda 3D-kristaller. Eftersom deras molekyler kan kombineras på ett nästan oändligt antal sätt, MOF erbjuder lovande möjligheter inom ett brett spektrum av tillämpningar. Kemister vid LSMO studerar MOF som kan absorbera CO2 för att utveckla ett system för att avlägsna denna kraftfulla växthusgas från atmosfären.

Problemet är att utvecklingen av nya MOF:er kräver enormt mycket tid och energi. Denna typ av kemisk syntes innefattar optimering av många olika variabler - lösningsmedelskomposition, temperatur, och reaktionstid, för att nämna några stycken. Och ju fler variabler det finns, ju högre antal möjliga kombinationer; forskare kan lätt hitta sig själva med miljontals experiment att utföra för att komma fram till bara en MOF. Vad mer, de kemiska länkarna och monteringsprocesserna som ligger bakom bildandet av MOF:er är fortfarande inte helt klarlagda, vilket betyder att det ännu inte finns några grundläggande principer som kemister kan följa. De måste i princip börja från början varje gång.

10 miljarder dagar

"Det är där intuitionen kommer in, säger Berend Smit, chef för LSMO. "Med vår forskning, vi ville utnyttja maskininlärningsteknik för att utveckla en systematisk metod för att kvantifiera lärdomarna från tidigare erfarenheter."

Hans team tog som exempel en MOF som är välkänd för forskare:HKUST-1. Dess kristallina struktur kan variera beroende på vilken kemisk grupp som används för att syntetisera den. För att mäta hur omfattande intuition spelar en roll för att syntetisera rätt typ av material, LSMO-kemisterna använde först en metod som inte förlitar sig på intuition alls – en högpresterande robotsynt. Deras syntes bearbetade inte mindre än nio olika variabler för att omvända processen och sammanställa alla möjliga misslyckade syntesexperiment för en HKUST-1-molekyl.

"Vår robot kan klämma igenom cirka 30 kemiska reaktioner om dagen. Men även med den höga genomströmningen, det skulle fortfarande ta nästan tio miljarder dagar att genomgå alla möjliga reaktionskombinationer. Så forskare som arbetar under normala förhållanden – dvs. utan robot – måste helt klart förlita sig på intuition för att utesluta ett stort antal möjliga kombinationer och fokusera på de mest lovande, säger Kyriakos Stylianou, chef för kemisk syntes på LSMO.

Med andra ord, vare sig de inser det eller inte, forskare som genomför flera experiment – ​​framgångsrika och andra – får en känsla för vad som kommer att fungera och vad som inte fungerar. Denna "magkänsla" talar om för dem vilka variabler som kan ha störst inflytande på resultatet av en kemisk reaktion. Till exempel, om en forskare finner att förändring av reaktionstemperaturen förändrar resultaten av hans experiment, till och med lite, då är det mer sannolikt att han fokuserar på temperaturvariabeln.

Att övertyga forskarsamhället

Maskininlärningsmetoden som utvecklats av LSMO gjorde att kemister inte bara kunde kvantifiera forskarnas intuition, men också programmera sin robot för att utföra syntesreaktioner mer effektivt. Det är viktigt eftersom runt 1, 000 nya MOF utvecklas varje år, och bakom var och en ligger någonstans mellan 10 och 100 misslyckade försök. Dessa misstag innehåller viktig och potentiellt användbar information för vidare forskning av alla som arbetar inom samma område. Tack vare metoden som utvecklats vid LSMO, samt plattformen som gjorts tillgänglig under Schweizs NCCR MARVEL-program, lärdomarna kan sammanställas och delas.

"Nu måste vi övertyga forskare att öppna upp och prata om sina misslyckade experiment. Om vi ​​kan göra det, vi kan dramatiskt förändra hur kemisk forskning utförs, säger Smit.