Muchas actividades humanas liberan contaminantes al aire, al agua y al suelo. Estos productos químicos nocivos amenazan la salud de las personas y del ecosistema. Según la Organización Mundial de la Salud, la contaminación del aire causa Se estima que hay 4,2 millones de muertes al año.
Los científicos están buscando soluciones y una posible vía es una Clase de materiales llamados fotocatalizadores.Cuando se activan con la luz, estos materiales experimentan reacciones químicas que los estudios iniciales han demostrado que pueden Descomponer los contaminantes tóxicos comunes.
Yo soy un Investigador en ciencia e ingeniería de materiales En la Universidad de Tennessee, con la ayuda de robots e inteligencia artificial, mis colegas y yo estamos fabricando y probando nuevos fotocatalizadores con el objetivo de mitigar la contaminación del aire.
Descomponiendo contaminantes
Los fotocatalizadores funcionan mediante generando portadores cargados en presencia de luz. Estos portadores cargados son partículas diminutas que pueden moverse y provocar reacciones químicas. Cuando entran en contacto con el agua y el oxígeno del ambiente, producen sustancias llamadas especies reactivas de oxígenoEstas especies reactivas de oxígeno altamente activas pueden unirse a partes de los contaminantes y luego descomponerlos o convertirlos en productos inofensivos, o incluso útiles.
Sin embargo, algunos materiales utilizados en el proceso fotocatalítico tienen limitaciones. Por ejemplo, no pueden iniciar la reacción a menos que la luz tenga suficiente energía (rayos infrarrojos con luz de menor energía, o luz visibleno desencadenará la reacción.
Otro problema es que las partículas cargadas que intervienen en la reacción pueden recombinarse demasiado rápido, lo que significa que se vuelven a unir antes de terminar la tarea. En estos casos, los contaminantes o bien no se descomponen completamente, o bien el proceso tarda mucho tiempo en completarse.
Además, la superficie de estos fotocatalizadores a veces puede cambiar durante o después de la reacción fotocatalítica, lo que afecta su funcionamiento y su eficiencia.
Para superar estas limitaciones, los científicos de mi equipo están tratando de desarrollar nuevos materiales fotocatalíticos que funcionen de manera eficiente para descomponer los contaminantes. También nos centramos en asegurarnos de que estos materiales no sean tóxicos para que nuestros materiales de limpieza de la contaminación no provoquen más contaminación.
Pequeños cristales diminutos
Los científicos de mi equipo utilizan la experimentación automatizada y inteligencia artificial para determinar qué materiales fotocatalíticos podrían ser los mejores candidatos para descomponer rápidamente los contaminantes. Estamos fabricando y probando materiales llamadas perovskitas híbridasque son cristales diminutos, de aproximadamente una décima parte del grosor de una hebra de cabello.
Estos nanocristales están hechos de una mezcla de componentes orgánicos (basados en carbono) e inorgánicos (no basados en carbono).
Tienen algunas cualidades únicas, como sus excelentes propiedades de absorción de luz, que se deben a su estructura a nivel atómico. Son diminutos pero poderosos. Ópticamente, también son asombrosos: interactúan con la luz de maneras fascinantes para generar una gran cantidad de diminutos portadores de carga y desencadenar reacciones fotocatalíticas.
Estos materiales transportan eficientemente cargas eléctricas, lo que les permite transportar energía luminosa e impulsar reacciones químicas. También se utilizan para hacer que los paneles solares sean más eficientes y las luces LED, que crean las pantallas vibrantes que vemos en los televisores.
Existen miles de tipos potenciales de nanocristales híbridos, por lo que mi equipo quería descubrir cómo fabricar y probar la mayor cantidad posible rápidamente para ver cuáles son los mejores candidatos para limpiar contaminantes tóxicos.
Trayendo robots
En lugar de fabricar y probar muestras a mano, lo que lleva semanas o meses, estamos utilizando robots inteligentesque pueden producir y probar al menos 100 materiales diferentes en una hora. Estos pequeños robots manipuladores de líquidos pueden mover, mezclar y transferir con precisión pequeñas cantidades de líquido de un lugar a otro. Están controlados por una computadora que guía su aceleración y precisión.
Nosotros también utilizar el aprendizaje automático Para guiar este proceso, los algoritmos de aprendizaje automático pueden analizar datos de prueba rápidamente y luego aprender de esos datos para el siguiente conjunto de experimentos que ejecutarán los robots. Estos algoritmos de aprendizaje automático pueden identificar rápidamente patrones y perspectivas en los datos recopilados que normalmente tardarían mucho más tiempo en ser captados por el ojo humano.
Nuestro enfoque tiene como objetivo simplificar y comprender mejor los sistemas fotocatalíticos complejos, ayudando a crear nuevas estrategias y materiales. Al utilizar la experimentación automatizada guiada por el aprendizaje automático, ahora podemos hacer que estos sistemas sean más fáciles de analizar e interpretar, superando desafíos que eran difíciles de abordar con los métodos tradicionales.
Este artículo fue publicado originalmente en La conversación Por Mahshid Ahmadi en la Universidad de Tennessee. Lea el Artículo original aquí.
