|
Крошечные роботы помогут сохранить окружающую среду
|
|
|
|
В результате многих видов деятельности человека загрязняющие вещества попадают в воздух, воду и почву. Эти вредные химические вещества угрожают здоровью как людей, так и экосистемы. По данным Всемирной организации здравоохранения, загрязнение воздуха ежегодно приводит к 4,2 миллионам смертей.
|
|
|
|
Ученые ищут решения, и одним из возможных вариантов является класс материалов, называемых фотокатализаторами. Под воздействием света эти материалы вступают в химические реакции, которые, как показали первоначальные исследования, могут разрушать обычные токсичные загрязняющие вещества.
|
|
|
|
Я исследователь в области материаловедения и инженерии в Университете Теннесси. С помощью роботов и искусственного интеллекта мы с коллегами создаем и тестируем новые фотокатализаторы с целью снижения уровня загрязнения воздуха.
|
|
Разрушение загрязняющих веществ
|
|
|
|
Фотокатализаторы работают за счет образования носителей заряда в присутствии света. Эти носители заряда представляют собой крошечные частицы, которые могут перемещаться и вызывать химические реакции. При контакте с водой и кислородом в окружающей среде образуются вещества, называемые активными формами кислорода. Эти высокоактивные активные формы кислорода могут связываться с частицами загрязняющих веществ и затем либо разлагать их, либо превращать в безвредные или даже полезные продукты.
|
|
|
Но некоторые материалы, используемые в фотокаталитическом процессе, имеют ограничения. Например, они не могут запустить реакцию, если свет не обладает достаточной энергией — инфракрасные лучи с более низкой энергией света или видимый свет не запустят реакцию.
|
|
|
|
Другая проблема заключается в том, что заряженные частицы, участвующие в реакции, могут рекомбинировать слишком быстро, что означает, что они снова соединяются до завершения процесса. В таких случаях загрязняющие вещества либо не разлагаются полностью, либо процесс занимает много времени.
|
|
|
|
Кроме того, поверхность этих фотокатализаторов иногда может изменяться во время или после фотокаталитической реакции, что влияет на их работу и эффективность.
|
|
|
|
Чтобы преодолеть эти ограничения, ученые из моей команды пытаются разработать новые фотокаталитические материалы, которые эффективно расщепляют загрязняющие вещества. Мы также уделяем особое внимание тому, чтобы эти материалы были нетоксичными, чтобы наши средства для очистки не приводили к дальнейшему загрязнению окружающей среды.
|
|
Крошечные кристаллы
|
|
|
|
Ученые из моей команды используют автоматизированные эксперименты и искусственный интеллект, чтобы выяснить, какие фотокаталитические материалы могут быть лучшими кандидатами для быстрого расщепления загрязняющих веществ. Мы производим и тестируем материалы, называемые гибридными перовскитами, которые представляют собой крошечные кристаллы толщиной примерно в 10% толщины волоса.
|
|
|
|
Эти нанокристаллы состоят из смеси органических (на основе углерода) и неорганических (не на основе углерода) компонентов.
|
|
|
|
Они обладают несколькими уникальными качествами, например, превосходными светопоглощающими свойствами, которые обусловлены их структурой на атомарном уровне. Они крошечные, но мощные. Оптически они тоже удивительны — они удивительным образом взаимодействуют со светом, генерируя большое количество крошечных носителей заряда и запуская фотокаталитические реакции.
|
|
|
|
Эти материалы эффективно переносят электрические заряды, что позволяет им передавать световую энергию и управлять химическими реакциями. Они также используются для повышения эффективности солнечных панелей и в светодиодных светильниках, которые создают яркие изображения, которые вы видите на экранах телевизоров.
|
|
|
|
Существуют тысячи потенциальных типов гибридных нанокристаллов. Итак, моя команда хотела выяснить, как можно быстрее изготовить и протестировать как можно больше роботов, чтобы определить, какие из них лучше всего подходят для очистки от токсичных загрязнителей.
|
|
Привлечение роботов
|
|
|
|
Вместо того чтобы изготавливать и тестировать образцы вручную, на что уходят недели или месяцы, мы используем интеллектуальных роботов, которые могут производить и тестировать не менее 100 различных материалов в течение часа. Эти небольшие роботы для работы с жидкостями могут точно перемещать, смешивать и переносить небольшие количества жидкости из одного места в другое. Они управляются компьютером, который определяет их ускорение и точность.
|
|
|
|
Мы также используем машинное обучение для управления этим процессом. Алгоритмы машинного обучения могут быстро анализировать тестовые данные и затем извлекать из них уроки для следующего набора экспериментов, выполняемых роботами. Эти алгоритмы машинного обучения позволяют быстро выявлять закономерности и идеи в собранных данных, которые обычно воспринимаются человеческим глазом гораздо дольше.
|
|
|
|
Наш подход направлен на упрощение и лучшее понимание сложных фотокаталитических систем, что помогает создавать новые стратегии и материалы. Используя автоматизированное экспериментирование, основанное на машинном обучении, мы теперь можем упростить анализ и интерпретацию этих систем, преодолевая трудности, которые возникали при использовании традиционных методов.
|
|
|
|
Источник
|
