聚合物膜的應(yīng)用十分廣泛，如水過(guò)濾和氣汽分離等。為了實(shí)現(xiàn)所需功能，設(shè)計(jì)聚合物膜比人們預(yù)期更耗時(shí)。哥倫比亞大學(xué)工程學(xué)院、德國(guó)馬克斯普朗克學(xué)會(huì)和南卡羅來(lái)納大學(xué)的研究人員將數(shù)據(jù)科學(xué)應(yīng)用于此項(xiàng)任務(wù)以簡(jiǎn)化工作。
更具體地說(shuō)，他們將大數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)相結(jié)合，戰(zhàn)略性地將聚合物膜設(shè)計(jì)為氣體過(guò)濾器。人們常常利用塑料薄膜來(lái)分離簡(jiǎn)單情況下的混合物，如二氧化碳和甲烷?？茖W(xué)家還建議制造能將二氧化碳與其他氣體分離的薄膜，這樣便于碳捕獲和天然氣凈化等任務(wù)。
問(wèn)題在于制作薄膜的備選材料有成千上萬(wàn)種塑料。由于每種材料的化學(xué)成分各不相同，測(cè)試和制造一種特定材料是非常耗時(shí)耗錢的工作，研究人員僅僅研究了約1000種可能的氣體分離膜。
通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)最大限度提高成功率
科學(xué)家們得出結(jié)論，有效選擇用于氣體過(guò)濾的最佳聚合物的方法，能夠讓人們更有可能快速找到更低成本的解決方案。他們制作了一種機(jī)器學(xué)習(xí)算法，將目前測(cè)試的此類聚合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)與其傳輸特性聯(lián)系起來(lái)。研究人員希望利用數(shù)據(jù)科學(xué)來(lái)預(yù)測(cè)氣體分離膜的最佳材料，而不是傳統(tǒng)的那些既耗時(shí)又耗錢的方法。
氣體的傳輸特性為：
· 粘度：測(cè)量其內(nèi)部摩擦力，或使固體在其中移動(dòng)所需力的大小。
· 熱傳導(dǎo)：與引起溫度變化的內(nèi)能傳遞有關(guān)。
· 擴(kuò)散：原子和分子從高濃度狀態(tài)向低濃度狀態(tài)移動(dòng)的行為。
運(yùn)用數(shù)據(jù)科學(xué)
建立算法之后，科學(xué)家們用其來(lái)評(píng)估之前確定的11000多個(gè)聚合物，最終得到了大約100種聚合物選項(xiàng)，尚未對(duì)氣體傳輸能力進(jìn)行測(cè)試。
然后，研究人員制備這些篩選后的聚合物，并將其制成薄膜。該算法表明，盡管缺乏試驗(yàn)，但這些材料的性能將超過(guò)目前用于分離二氧化碳和甲烷的薄膜。實(shí)際測(cè)試表明，聚合物分離氣體的能力與算法預(yù)測(cè)結(jié)果相近。
在研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了算法來(lái)評(píng)估特定膜的可能性能之后，他們將研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到在制造氣體分離膜時(shí)，確定最佳化學(xué)結(jié)構(gòu)。當(dāng)科學(xué)家們確定這些膜的最適當(dāng)用途來(lái)幫助解決環(huán)境或其他問(wèn)題時(shí)，這些想法能夠促進(jìn)研究進(jìn)展。
值得一試
南卡羅來(lái)納大學(xué)的化學(xué)教授布萊恩·貝尼塞維茨也參與了該項(xiàng)目，在概述新過(guò)程的優(yōu)點(diǎn)時(shí)，他說(shuō)道：“新過(guò)程不再需要進(jìn)行猜測(cè)和以往試錯(cuò)這樣無(wú)效的工作，人們也不需要制作成百上千種不同的材料并進(jìn)行測(cè)試，現(xiàn)在可以讓機(jī)器學(xué)習(xí)縮小搜索范圍。”
貝尼塞維茨還解釋道，當(dāng)開(kāi)發(fā)人員試圖平衡滲透性和選擇性時(shí)，膜設(shè)計(jì)會(huì)更具挑戰(zhàn)性。相關(guān)分子非常微小，如果有一種氣體通過(guò)薄膜，那么該膜可能就無(wú)法有效地過(guò)濾另一種氣體。
研究團(tuán)隊(duì)的另一位成員將這種機(jī)器學(xué)習(xí)方法與Netflix的“猜你喜歡”進(jìn)行了比較。Netflix算法會(huì)對(duì)人們之前觀看的內(nèi)容進(jìn)行評(píng)估，然后給可用的標(biāo)題分配百分比分?jǐn)?shù)，告訴觀眾電影的匹配度。而在此項(xiàng)研究中，機(jī)器學(xué)習(xí)檢測(cè)了對(duì)氣體分離有效的聚合物的特性，從而在使用新聚合物時(shí)更有可能獲得良好結(jié)果。
挖掘數(shù)據(jù)以改進(jìn)設(shè)計(jì)
哥倫比亞大學(xué)的化學(xué)工程教授薩納特·K·庫(kù)馬爾也參與了這一項(xiàng)目，他認(rèn)為大數(shù)據(jù)的新應(yīng)用可以帶來(lái)更好的聚合物設(shè)計(jì)。屆時(shí)，研究人員可能會(huì)覺(jué)得更有動(dòng)力去研究他們以前從未考慮過(guò)的材料，從而獲得更出色的結(jié)果。
庫(kù)馬爾認(rèn)為：“這項(xiàng)工作為材料設(shè)計(jì)提供了一種新的途徑。不必再測(cè)試某個(gè)特定應(yīng)用的所有材料，而是尋找最能滿足需求的部分材料。把最好的材料組合起來(lái)，就有機(jī)會(huì)設(shè)計(jì)出更好的材料。”
參與這項(xiàng)工作的人員表示，這一過(guò)程在商業(yè)上是可行的。通過(guò)該過(guò)程發(fā)現(xiàn)的能將二氧化碳和甲烷分離的膜材料近期應(yīng)用于天然氣行業(yè)。二氧化碳會(huì)導(dǎo)致管道腐蝕，因此需要有效徹底地清除二氧化碳。
另一種可能性是利用薄膜將溫室氣體從煤中分離出來(lái)，這樣有利于減少環(huán)境中溫室氣體的排放。
這種方法還尚未獲得廣泛應(yīng)用，卻讓我們看到了一種新的可能，這種可能性就已足夠鼓舞人心。
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