![]() |
Новый вид полимерных мембран, созданный исследователями из Технологического института Джорджии, может изменить подход к переработке нефти на нефтеперерабатывающих заводах, значительно сократив потребление энергии и воды и извлекая при этом еще больше полезных веществ. О так называемых полимерах DUCKY сообщается 16 октября в журнале Nature Materials. И это только начало работы команды химиков, инженеров-химиков и материаловедов из Georgia Tech. Они также создали инструменты искусственного интеллекта для прогнозирования характеристик подобных полимерных мембран, что может ускорить разработку новых. Последствия этого весьма очевидны: на первичное разделение компонентов сырой нефти приходится около 1% энергии, потребляемой в мире. Более того, технология мембранного разделения, разрабатываемая исследователями, может найти широкое применение — от биотоплива и биоразлагаемых пластиков до целлюлозно-бумажной продукции.
Сырая нефть включает в себя тысячи соединений, которые необходимо переработать и очистить, чтобы получить полезные материалы — газ и другие виды топлива, а также пластмассы, текстиль, пищевые добавки, медицинские препараты и многое другое. Извлечение ценных веществ включает в себя десятки этапов, но начинается все с дистилляции — водо- и энергоемкого процесса. Исследователи пытаются разработать мембраны, которые будут выполнять эту работу вместо нефти, отфильтровывая нужные молекулы и минуя все этапы кипячения и охлаждения.
В основе новой формулы мембраны лежит новое семейство полимеров. Исследователи использовали строительные блоки, называемые спироциклическими мономерами, которые собираются в цепочки с большим количеством 90-градусных поворотов, образуя извилистый материал, который не сжимается легко и образует поры, избирательно связывающие и пропускающие нужные молекулы. Полимеры не являются жесткими, поэтому их легче производить в больших количествах. Кроме того, они обладают хорошо контролируемой гибкостью или подвижностью, что позволяет порам нужной фильтрующей структуры появляться и исчезать с течением времени. Полимеры DUCKY создаются в результате химической реакции, которую легко проводить в масштабах, пригодных для промышленных целей. Это одна из разновидностей семейства реакций, получивших Нобелевскую премию, называемых «химией щелчков», что и дало название полимерам. Реакция называется катализируемым медью азидо-алкиновым циклоприсоединением — сокращенно CuAAC и произносится как „кряк“. Таким образом: DUCKY-полимеры. По словам Финна, три ключевые характеристики полимерных мембран сами по себе не являются В состав исследовательской группы входили ученые компании ExxonMobil, которые и выяснили, насколько эффективными могут быть эти мембраны. Ученые компании взяли самые грубые компоненты сырой нефти — осадок, оставшийся на дне после дистилляции, — и протолкнули его через одну из мембран. В результате были извлечены еще более ценные вещества.
Прогнозирование таких результатов — это один из способов, с помощью которого команда может использовать модели искусственного интеллекта. В другом исследовании, недавно опубликованном в журнале Nature Communications, Лайвли, Финн и ученые из лаборатории Рампи Рампрасада в Georgia Tech рассказали об использовании алгоритмов машинного обучения и моделирования массопереноса для прогнозирования эффективности полимерных мембран в сложных процессах разделения.
Сложные смеси, такие как сырая нефть, могут содержать сотни или тысячи компонентов, поэтому точное математическое описание каждого соединения, его взаимодействия с мембраной и экстраполяция результатов, по словам Рампрасада, «нетривиальны». Для обучения алгоритмов пришлось также прочесать всю экспериментальную литературу по диффузии растворителей через полимеры, чтобы собрать огромный массив данных. Но, по словам Рампрасада, как и сам потенциал мембран в плане реорганизации нефтепереработки, заблаговременное знание того, как может работать предлагаемая полимерная мембрана, позволит ускорить процесс разработки материалов, который в настоящее время в основном осуществляется методом проб и ошибок.
По словам Лайвли, он долгое время скептически относился к способности инструментов машинного обучения справляться с такими сложными разделениями, с которыми он работает. Я всегда говорил: «Я не думаю, что можно предсказать сложность переноса через полимерные мембраны. Системы слишком большие, физика слишком сложная. Невозможно». Но потом он встретил Рампрасада. Вместо того чтобы просто отмахнуться, мы с Рампи и несколькими студентами попробовали сделать это, создали большую базу данных, и, черт возьми. На самом деле, вы можете это сделать, — говорит Лайвли. Разработка инструментов ИИ также включала в себя сравнение предсказаний алгоритмов с реальными результатами, в том числе с полимерными мембранами DUCKY. Эксперименты показали, что предсказания моделей ИИ находятся в пределах 6-7% от реальных измерений.
16.10.2023 |
Хайтек
![]() | |
Scientific Reports: Создан ультразвуковой настраиваемый ЖК-рассеиватель света | |
Свет необходим для жизни. С момента ... |
![]() | |
APL Materials: Открыт метод лазерной печати для создания запоминающих устройств | |
Цифровые технологии не заменяют печатные.... |
![]() | |
Ученые МИСИС выяснили, как сделать суперконденсаторы ещё круче | |
Исследователи из университета МИСИС усове... |
![]() | |
Учёные МИСИС и ИФХЭ РАН разработали быстрый и дешёвый метод получения вольфрама | |
Учёные из Университета МИСИС и Инсти... |
![]() | |
IEEE Access: Актуатор в реабилитационных перчатках восстановит движение пальцев | |
Мягкие реабилитационные перчатки помогают паци... |
![]() | |
Science Advances: Ученые научились предсказывать водородное охрупчивание | |
При выборе материала для инфраструктурных... |
![]() | |
Учёные одновременно картировали температуру и поток в конвективных микропотоках | |
Исследователи из Токийского столичного ун... |
![]() | |
В ПИШ КАИ создали «мост» к цифровому двойнику композитных преформ | |
Образовательное пространство Технологическое м... |
![]() | |
PRC: Ядерная структура титана-48 меняется при наблюдении с разного расстояния | |
Физики из Osaka Metropolitan University в... |
![]() | |
Nature Physics: Новый коллайдер стал ближе с технологией маршалинга мюонов | |
Эксперименты показали, что мюоны можно ис... |
![]() | |
Опровергнута гипотеза о причине изменения формы сплавов при намагничивании | |
Учёные из Объединённого института ядерных... |
![]() | |
Ученые совершили рывок в локализации электролиза воды с анионообменной мембраной | |
Исследовательская группа под руководством... |
![]() | |
Исследование кристаллографов СПбГУ приведет к созданию более прочной керамики | |
Исследователи из Санкт-Петербургского уни... |
![]() | |
Квантовая томография выходит на новый уровень благодаря российским физикам | |
Учёные из Университета МИСИС и Росси... |
![]() | |
Ученые повысили рабочие характеристики изделий из никелевых суперсплавов | |
В МИСИС представили улучшенную технологию защи... |
![]() | |
Physical Review Letters: Ученые описали альтернативный магнетизм | |
Магнитные материалы традиционно классифицируют... |
![]() | |
Light Sci Appl: Фотонный фонарь, напечатанный в 3D, открывает новые возможности | |
Оптические волны, распространяющиеся по в... |
![]() | |
Nature Materials: Ученые разработали рентген, позволяющий заглянуть в кристалл | |
Группа исследователей из Нью-Йоркского ун... |
![]() | |
Nature: Международная группа ученых решает сложную физическую задачу | |
Сильно взаимодействующие системы играют важную... |
![]() | |
Неоднородная мягкость тел позволяет создавать более мягкие аморфные материалы | |
Ученые из Токийского столичного университ... |
![]() | |
Созданы чернила для 3D-печати гибких устройств без механических соединений | |
Для инженеров, работающих над мягкой робо... |
![]() | |
Инструмент прогнозирования ускорит исследования в области сверхпроводников | |
Функциональность многих современных передовых ... |
![]() | |
В MIT разрабатывают бытовых роботов, наделенных здравым смыслом | |
С помощью большой языковой модели инженеры Мас... |
![]() | |
В двумерных сверхпроводниках открыта незаметная квантовая критическая точка | |
Слабые флуктуации в сверхпроводимости, яв... |
![]() | |
Роняйте на здоровье. Разработан материал для электроники с адаптивной прочностью | |
Неприятности случаются каждый день, и есл... |
![]() | |
2-фотонная фотоэмиссионная спектроскопия помогла понять поведение электронов | |
Органическая электроника — область,... |
![]() | |
Печатный полимер позволяет изучить хиральность и спины при комнатной температуре | |
Печатаемый органический полимер, который при&n... |
![]() | |
Nature Communications: Открыто революционное явление в жидких кристаллах | |
Исследовательская группа, работающая в UN... |
![]() | |
PRL: Ученые продвинулись в управляемом ускорении электронов в микромасштабе | |
Исследователи из Стэнфорда приблизились к... |
![]() | |
Physical Review Applied: Ниобий воскресили для квантовых технологий | |
Когда речь заходит о сверхпроводящих куби... |