Viele menschliche Aktivitäten setzen Schadstoffe in Luft, Wasser und Boden frei. Diese schädlichen Chemikalien bedrohen die Gesundheit von Menschen und das Ökosystem. Laut der Weltgesundheitsorganisation verursacht Luftverschmutzung eine geschätzte 4,2 Millionen Todesfälle jährlich.
Wissenschaftler suchen nach Lösungen und ein möglicher Ansatz ist ein Klasse von Materialien, die als Photokatalysatoren bezeichnet werden. Wenn diese Materialien durch Licht aktiviert werden, führen sie chemische Reaktionen durch, die ersten Studien zufolge Abbau üblicher giftiger Schadstoffe.
Ich bin ein Forscher für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik an der University of Tennessee. Mithilfe von Robotern und künstlicher Intelligenz entwickeln und testen meine Kollegen und ich neue Photokatalysatoren mit dem Ziel, die Luftverschmutzung zu verringern.
Schadstoffe abbauen
Die Photokatalysatoren funktionieren durch Erzeugung geladener Ladungsträger in Gegenwart von Licht. Diese geladenen Träger sind winzige Partikel, die sich bewegen und chemische Reaktionen auslösen können. Wenn sie mit Wasser und Sauerstoff in der Umgebung in Kontakt kommen, produzieren sie Substanzen, die reaktive Sauerstoffspezies. Diese hochaktiven reaktiven Sauerstoffspezies können sich an Teile der Schadstoffe binden und die Schadstoffe dann entweder zersetzen oder in harmlose – oder sogar nützliche – Produkte umwandeln.
Einige Materialien, die im photokatalytischen Prozess verwendet werden, haben jedoch Einschränkungen. Sie können die Reaktion beispielsweise nur starten, wenn das Licht genügend Energie hat – Infrarotstrahlen mit Licht niedrigerer Energie oder sichtbares Lichtwird die Reaktion nicht auslösen.
Ein weiteres Problem ist, dass die an der Reaktion beteiligten geladenen Teilchen zu schnell rekombinieren können, was bedeutet, dass sie sich wieder zusammenfügen, bevor sie ihre Aufgabe erfüllt haben. In diesen Fällen zersetzen sich die Schadstoffe entweder nicht vollständig oder der Prozess dauert lange.
Darüber hinaus kann sich die Oberfläche dieser Photokatalysatoren manchmal während oder nach der photokatalytischen Reaktion verändern, was ihre Funktionsweise und Effizienz beeinträchtigt.
Um diese Einschränkungen zu überwinden, versuchen die Wissenschaftler in meinem Team, neue photokatalytische Materialien zu entwickeln, die Schadstoffe effizient abbauen. Wir achten auch darauf, dass diese Materialien ungiftig sind, damit unsere Schadstoffreinigungsmaterialien keine weitere Verschmutzung verursachen.
Winzig kleine Kristalle
Die Wissenschaftler in meinem Team nutzen automatisierte Experimente und künstliche Intelligenz, um herauszufinden, welche photokatalytischen Materialien die besten Kandidaten für den schnellen Abbau von Schadstoffen sein könnten. Wir stellen Materialien her und testen sie sogenannte Hybrid-Perowskitedas sind winzige Kristalle, die etwa ein Zehntel so dick sind wie ein Haar.
Diese Nanokristalle bestehen aus einer Mischung organischer (kohlenstoffbasierter) und anorganischer (nicht kohlenstoffbasierter) Komponenten.
Sie haben einige einzigartige Eigenschaften, wie beispielsweise ihre hervorragenden Lichtabsorptionseigenschaften, die sich aus ihrer Struktur auf atomarer Ebene ergeben. Sie sind winzig, aber oho. Auch optisch sind sie erstaunlich – sie interagieren auf faszinierende Weise mit Licht, erzeugen eine große Anzahl winziger Ladungsträger und lösen photokatalytische Reaktionen aus.
Diese Materialien transportieren elektrische Ladungen effizient, wodurch sie Lichtenergie transportieren und chemische Reaktionen antreiben können. Sie werden auch verwendet um Solarmodule effizienter zu machen und in LED-Leuchten, die die lebendigen Anzeigen erzeugen, die Sie auf Fernsehbildschirmen sehen.
Es gibt Tausende potenzieller Arten von Hybrid-Nanokristallen. Mein Team wollte also herausfinden, wie man möglichst viele davon schnell herstellen und testen kann, um herauszufinden, welche sich am besten zur Beseitigung giftiger Schadstoffe eignen.
Einsatz von Robotern
Anstatt Proben von Hand herzustellen und zu testen, was Wochen oder Monate dauern würde, verwenden wir intelligente Roboterdas innerhalb einer Stunde mindestens 100 verschiedene Materialien herstellen und testen kann. Diese kleinen Flüssigkeitshandhabungsroboter können winzige Flüssigkeitsmengen präzise bewegen, mischen und von einem Ort zum anderen übertragen. Sie werden von einem Computer gesteuert, der ihre Beschleunigung und Genauigkeit steuert.
wir auch Verwenden Sie maschinelles Lernen um diesen Prozess zu leiten. Algorithmen für maschinelles Lernen können Testdaten schnell analysieren und dann aus diesen Daten für die nächste Reihe von Experimenten lernen, die von den Robotern ausgeführt werden. Diese Algorithmen für maschinelles Lernen können schnell Muster und Erkenntnisse in gesammelten Daten erkennen, für deren Erfassung ein menschliches Auge normalerweise viel länger brauchen würde.
Unser Ansatz zielt darauf ab, komplexe photokatalytische Systeme zu vereinfachen und besser zu verstehen, um so neue Strategien und Materialien zu entwickeln. Durch automatisierte Experimente auf Basis maschinellen Lernens können wir diese Systeme nun einfacher analysieren und interpretieren und so Herausforderungen überwinden, die mit herkömmlichen Methoden schwierig waren.
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