Будучи исследователем в области материаловедения и инженерии в Университете Теннесси, я постоянно поражаюсь запутанному танцу между человеческими инновациями и миром природы. Это похоже на то, как будто маэстро дирижирует оркестром, где каждый инструмент представляет собой отдельную молекулу, каждый отмечает химическую реакцию, а симфония — это борьба с загрязнением окружающей среды.
Различные действия человека вносят вредные вещества в атмосферу, водоемы и землю. Эти токсичные соединения представляют угрозу не только для благополучия человека, но и для общего состояния окружающей среды. По данным Всемирной организации здравоохранения, загрязнение воздуха связано с примерно 4,2 миллионами смертей в год во всем мире.
Исследователи изучают различные возможности, и одно из перспективных направлений — использование группы веществ, известных как фотоактивные материалы. Под воздействием света эти материалы подвергаются химическим процессам, которые, как показывают предварительные исследования, могут разлагать широко распространенные вредные загрязнители.
В Университете Теннесси я работаю исследователем, специализирующимся в области материаловедения и инженерии. В сотрудничестве с моей командой мы используем робототехнику и искусственный интеллект для создания и оценки новых фотокатализаторов, направленных на снижение уровня вредного загрязнения воздуха.
Разрушение загрязняющих веществ
Фотокатализаторы работают путем создания электрически заряженных частиц в условиях освещения. Эти мельчайшие подвижные частицы вызывают химические реакции. Когда они сталкиваются с водой и кислородом в окружающей среде, они генерируют активные формы кислорода, которые являются высокоактивными веществами. Эти активные формы кислорода могут связываться с компонентами загрязняющих веществ, либо расщепляя их, либо превращая в безвредные или даже полезные соединения.
С другой стороны, некоторые материалы, используемые в фотокаталитическом процессе, имеют некоторые ограничения. Например, этим материалам требуется определенный тип энергии для инициирования реакции. Уровни энергии, обнаруженные в инфракрасных лучах, достаточны, но видимый свет или источники света с более низкой энергией не активируют этот процесс.
Проблема возникает, когда заряженные частицы в реакции соединяются преждевременно, подразумевая, что они воссоединяются прежде, чем полностью завершат свою задачу. Следовательно, загрязняющие вещества могут разлагаться не полностью или процесс разложения затягивается.
Более того, стоит отметить, что структура поверхности этих фотокатализаторов может измениться во время или после фотокаталитического процесса. Эта модификация влияет на их производительность и эффективность.
Стремясь преодолеть эти ограничения, исследователи из моей команды усердно работают над созданием инновационных фотокаталитических веществ, которые эффективно разлагают загрязняющие вещества. Кроме того, мы уделяем первоочередное внимание обеспечению безвредности этих материалов, поэтому наши решения по устранению загрязнения не способствуют непреднамеренному загрязнению окружающей среды.
Маленькие кристаллы
Члены нашей команды используют автоматизированные эксперименты вместе с искусственным интеллектом для выявления потенциальных фотокаталитических веществ высшего уровня, которые могут быстро разлагать загрязняющие вещества. Мы сосредоточены на создании и исследовании материалов, известных как гибридные перовскиты, которые представляют собой крошечные кристаллы, толщина которых составляет примерно одну десятую толщины пряди человеческого волоса.
Эти нанокристаллы состоят как из органических, или богатых углеродом, так и неорганических, или неуглеродных веществ.
Эти вещества обладают некоторыми отличительными чертами, такими как выдающаяся способность поглощать свет, обусловленная их атомной структурой. Они могут быть маленькими, но они мощные. С визуальной точки зрения они весьма привлекательны – они взаимодействуют со светом интригующими способами, создавая многочисленные носители заряда и инициируя фотокаталитические реакции.
Эти вещества эффективно переносят электрический ток, что позволяет им передавать световую энергию и инициировать химические процессы. Они также используются для повышения эффективности солнечных батарей и являются неотъемлемыми компонентами светодиодных фонарей, отвечающих за создание ярких изображений, которые вы видите на экранах телевизоров.
В нашем стремлении найти оптимальные гибриды для детоксикации вредных загрязнителей мы стремились ускорить производство и тестирование широкого спектра гибридных нанокристаллов, чтобы выявить наиболее многообещающих претендентов.
Привлечение роботов
Вместо того, чтобы вручную создавать и тестировать образцы в течение нескольких недель или месяцев, мы выбрали автоматизированных роботов, способных производить и тестировать до 100 материалов всего за час. Эти миниатюрные машины для работы с жидкостями превосходно справляются с точным перемещением, смешиванием и передачей мельчайших количеств жидкости из одного места в другое. Ими управляет компьютер, который регулирует их скорость и точность.
Кроме того, для управления этой процедурой мы используем методы машинного обучения. Быстро анализируя тестовые данные, эти методы машинного обучения учатся на их основе, что помогает им оптимизировать последующие эксперименты роботов. Примечательно, что эти алгоритмы машинного обучения могут выявлять закономерности и идеи в собранных данных, которые человек может упустить из виду или на их обнаружение уйдет гораздо больше времени.
Наша цель — рационализировать и расширить наше понимание сложных фотокаталитических систем, прокладывая путь к инновационным стратегиям и материалам. С помощью автоматизированных экспериментов, основанных на машинном обучении, мы теперь можем более легко справляться с этими сложными системами, преодолевая препятствия, которые раньше были пугающими при использовании традиционных методов.
Смотрите также
- Дом Дракона 2 сезон: Является ли Рейнира Таргариен бисексуалкой и что привело к поцелую между ней и Мисарией?
- Руководство Джета Кордо по наследию «Звездных войн вне закона»: расположение хранилищ на Тошаре и Киджими
- Бен Аффлек не смог оторваться от Дженнифер Лопес во время бранча на выходных? Пикантные подробности ЗДЕСЬ
- Поцелуй Рейниры и Мисарии в «Доме Дракона» не был написан по сценарию
- Джеймс МакЭвой говорит, что он «всегда готов» вернуться во вселенную Людей Икс, когда «есть хороший материал»
- Как выманить Фредди из зоны безопасности в FNAF: Into The Pit
- «Чувствую, что развивается язва»: выпускница SNL Ларейн Ньюман называет номинантов «Медведя» в категориях комедий
- 20 лет назад Джуд Лоу снял недооцененный научно-фантастический фильм, опередивший свое время
- Тестовый проект
- Почему звезда «Убить Билла» Майкл Мэдсен подал на развод с женой ДеАнной после 28 лет совместной жизни? Вот все, что мы знаем
2024-09-22 17:01