NatComm: Инженеры создают технологию для моделирования каталитических реакций

Исследователи уже сто лет изучают производство аммиака. Этот процесс малопродуктивный и малоэффективный, но улучшить его не удавалось.

Азот из воздуха с помощью катализатора вступает в реакцию с водородом, образуя аммиак. Ежегодно в мире производят 160 миллионов тонн аммиака, большая часть которого используется в сельском хозяйстве как азотное удобрение. Также аммиак применяется в холодильной технике, производстве продуктов питания и напитков, бытовой химии.

Исследовательская группа под руководством Ци Аня, доцента кафедры материаловедения и инженерии Университета штата Айова, разработала технологию искусственного интеллекта для изучения химических реакций в производстве аммиака.

Система HDRL-FP может оптимизировать процесс производства, снизить затраты и выбросы CO₂, а также способствовать созданию небольших заводов. Это доказывает эффективность системы и её потенциал в прогнозировании сложных путей химических реакций.

HDRL-FP — это High-Throughput Deep Reinforcement Learning with First Principles. Ань и его коллеги и соавторы — Тянь Лан и Хуан Ван из Salesforce AI Research в Калифорнии — говорят, что технология полна потенциала.

Они пишут, что изучение механизмов каталитических реакций важно для понимания химических процессов, улучшения условий реакции и создания более эффективных катализаторов.

О наградах и атомах

По словам Аня, в программной технологии исследователей есть два ключевых момента:

1. Тип машинного обучения — обучение с подкреплением. Оно похоже на дрессировку собаки с помощью поощрения за действия. При обучении с подкреплением компьютеры учатся на основе своих действий и ищут вознаграждения. В этом случае вознаграждение заключается в поиске наилучшего, наиболее эффективного и низкозатратного пути реакции.
2. Связь процесса моделирования с положением участвующих атомов.

При использовании графических процессоров и эффективных стратегий этот метод быстро находит оптимальный путь реакции из тысяч возможных. Это позволяет эффективно выявлять механизмы реакций среди большого объёма данных о реальных химических реакциях.

Исследователи создали технологию, полезную для изучения каталитических реакций. Она начинается с определения положения атомов на энергетическом ландшафте. Исследователям не нужно представлять более конкретное состояние среды реакции.

Ань и его соавторы работали над проектом около двух лет.

Расчёты системы для реакции, производящей аммиак, — это пробный вариант. С его помощью мы можем увидеть важные этапы реакции синтеза аммиака и понять механизм реакции. Это позволяет автоматически исследовать сложные каталитические химические реакции и открывает перспективы для будущих исследований и открытий.

Результаты опубликованы в издании Nature Communications.

05.08.2024