2024-09-17 12:31:57 英文原文
许多人类活动都会将污染物释放到空气、水和土壤中。这些有害化学物质威胁着人类和生态系统的健康。据世界卫生组织称，空气污染每年导致约 420 万人死亡。
科学家们正在寻找解决方案，其中一个潜在的途径是一类称为光催化剂的材料。当光触发时，这些材料会发生化学反应，初步研究表明可以分解常见的有毒污染物。
我是田纳西大学的材料科学与工程研究员。在机器人和人工智能的帮助下，我和我的同事正在制造和测试新型光催化剂，目的是减轻空气污染。
光催化剂的工作原理是产生带电有光的情况下的载体。这些带电载体是微小的颗粒，可以四处移动并引起化学反应。当它们与环境中的水和氧气接触时，会产生称为活性氧的物质。这些高活性的活性氧可以与部分污染物结合，然后分解污染物或将其转化为无害甚至有用的产品。
但是光催化过程中使用的一些材料存在局限性。例如，除非光具有足够的能量，否则它们无法启动反应。较低能量的红外线或可见光不会触发反应。
另一个问题是参与反应的带电粒子可以重新结合太快了，这意味着他们在完成工作之前就重新聚集在一起。在这些情况下，污染物要么没有完全分解，要么该过程需要很长时间才能完成。
此外，这些光催化剂的表面有时会在光催化反应期间或之后发生变化，这会影响它们的工作方式以及它们的效率如何。
为了克服这些限制，我团队的科学家正在尝试开发新的光催化材料，以有效分解污染物。我们还致力于确保这些材料无毒，以便我们的污染清洁材料不会造成进一步的污染。
我团队的科学家使用自动化实验和人工智能来找出哪些光催化材料可能是快速分解污染物的最佳候选材料。我们正在制造和测试称为混合钙钛矿的材料，它们是微小的晶体，厚度约为一根头发的十分之一。
这些纳米晶体由有机（碳基）和无机（非碳基）混合物制成。-碳基）成分。
它们具有一些独特的品质，例如出色的光吸收特性，这些特性来自于它们在原子水平上的结构。它们很小，但很强大。在光学上，它们也很神奇，它们以令人着迷的方式与光相互作用，产生大量微小的电荷载流子并引发光催化反应。
这些材料有效地传输电荷，这使得它们能够传输光能并驱动光催化反应。化学反应。它们还用于提高太阳能电池板的效率，并用于 LED 灯，从而产生您在电视屏幕上看到的充满活力的显示。
混合纳米晶体有数千种潜在类型。因此，我的团队想弄清楚如何快速制造和测试尽可能多的机器人，看看哪些是清理有毒污染物的最佳候选者。
使用智能机器人代替需要数周或数月的手工制作和测试样品，它可以在一小时内生产和测试至少 100 种不同的材料。这些小型液体处理机器人可以精确地移动、混合微量液体并将其从一处转移到另一处。它们由计算机控制，指导其加速和准确性。
我们还使用机器学习来指导这一过程。机器学习算法可以快速分析测试数据，然后从该数据中学习，以便机器人执行下一组实验。这些机器学习算法可以快速识别所收集数据中的模式和见解，而这些模式和见解通常人眼需要更长的时间才能捕捉到。
我们的方法旨在简化和更好地理解复杂的光催化系统，帮助制定新策略和材料。通过使用机器学习引导的自动化实验，我们现在可以使这些系统更易于分析和解释，克服传统方法难以解决的挑战。