Экологические вопросы поступают ученым регулярно. Обычные владельцы домашних животных часто спрашивают исследователей, можно ли разрешать собакам плавать в местных водоемах. Профессор школы гражданского и экологического инжиниринга Корнеллского университета Дэмиен Хеллинг признается, что прекрасно понимает владельцев золотистых ретриверов, но предпочитает смотреть на проблему шире. Для него важен не отдельный пруд, а то, какие технологии способны очистить воду повсеместно.
Главной головной болью экологов остаются пер- и полифторалкильные соединения, известные под сокращением PFAS или вечные химикаты. Эти синтетические вещества применяются везде: от антипригарных сковородок и противопожарной пены до медицинской техники и упаковки для продуктов. Промышленное производство таких соединений началось еще в 1940-х годах и продолжается по сей день. Их главная особенность заключается в невероятно прочной связи между атомами углерода и фтора. Благодаря ей материалы служат долго, но при этом практически не разрушаются в естественной среде. Из-за такой колоссальной стойкости соединения накопились в воде, воздухе, почве и даже в крови людей и животных по всему земному шару, о чем свидетельствуют данные Агентства по охране окружающей среды США.
Роль искусственного интеллекта в поиске безопасных замен
Лучший способ решить проблему — полностью прекратить производство опасных веществ. Но сделать это непросто, ведь компании используют PFAS ради термостойкости, водоотталкивающих свойств и прочности в суровых условиях. Чтобы найти замену, команда Хеллинга участвует в проекте Faster Solutions for Forever Chemicals, который курирует корпорация IBM.
Компании часто даже не знают, где именно в производстве применяют опасные соединения. Им просто нужен компонент от поставщика, чтобы сделать товар лучше, долговечнее или надежнее. Исследователи помогают бизнесу выстраивать цепочки поставок и находить новые формулы.
Вместо того чтобы вручную синтезировать и проверять тысячи вариантов в лаборатории, разработчики задействуют искусственный интеллект. Алгоритмы прогнозируют, сможет ли новая молекула выполнять нужные функции и при этом не вредить экологии. Ученые стремятся избегать ситуаций, когда одно вредное вещество просто меняют на другое, столь же токсичное, способное накапливаться в живых организмах и угрожать общественному здоровью.
Молекулярные наногубки для очистки воды
Полностью отказаться от фторированных соединений в один момент нереально, поэтому специалисты разрабатывают способы улавливать их до попадания в природу. Последние десять лет лаборатория Хеллинга создает специальные полимерные материалы, которые избирательно затягивают PFAS из воды. Проект развивается в рамках давнего сотрудничества с химиком Уиллом Дичтелем.
Ученый сравнивает процесс с крошечной губкой, опущенной в стакан с загрязненной жидкостью. Этот материал не впитывает саму воду, а притягивает только целевые молекулы. Когда губку достают, вода становится значительно чище. Чтобы улавливать разные виды загрязнений, исследователи настраивают полимеры по принципу конструктора LEGO, заменяя определенные функциональные группы под конкретные задачи. После концентрации внутри наногубок токсичные вещества уничтожают с помощьюemerging методов химической обработки, что гораздо практичнее попыток очистить миллионы галлонов воды.
Поиск неизвестных химических угроз
Прежде чем очищать воду, загрязнение нужно обнаружить. Лаборатория использует высокоточную масс-спектрометрию для анализа проб воды без предварительного списка ожидаемых веществ. Компьютерные программы ищут скрытые закономерности в полученных данных, выявляя незнакомые ранее соединения, которые никогда не были полностью охарактеризованы учеными.
Особенно полезной такая работа оказалась для полупроводниковой промышленности. Производители чипов часто применяют уникальные фторированные составы, которые отсутствуют в стандартных списках мониторинга. Исследования Хеллинга помогли обнаружить такие вещества в сточных водах предприятий, что открывает путь к созданию безопасных альтернатив на фоне бурного роста полупроводниковой отрасли.