Progettare filtri per l’acqua migliori con l’intelligenza artificiale
Progettazione inversa della chimica della parete dei pori per controllare il trasporto e la selettività dei soluti
Anche i migliori filtri per l’acqua lasciano passare alcune cose, ma progettare materiali migliori e poi testarli richiede tempo ed è difficile. Ora, i ricercatori di ACS Central Science riferiscono che l’intelligenza artificiale (AI) potrebbe accelerare lo sviluppo di materiali promettenti. In uno studio proof-of-concept, hanno simulato diversi modelli di gruppi che attraggono e respingono l’acqua che rivestono la membrana porosa di un filtro e hanno trovato disposizioni ottimali che dovrebbero far passare facilmente l’acqua e rallentare alcuni contaminanti.
I sistemi di filtraggio, che vanno dagli attacchi dei rubinetti ai sistemi industriali delle dimensioni di una stanza, puliscono l’acqua per bere e altri usi. Tuttavia, le attuali membrane filtranti hanno difficoltà se l’acqua è estremamente sporca o contiene molecole piccole e neutre, come l’acido borico, un comune insetticida utilizzato sulle piante coltivate. Questo perché i materiali porosi sintetici sono generalmente limitati alla selezione dei composti in base alle dimensioni o alla carica. Ma le membrane biologiche hanno pori fatti di proteine, come l’acquaporina, che possono separare l’acqua da altre molecole sia per dimensione che per carica a causa dei diversi tipi di gruppi funzionali, o gruppi di atomi, che rivestono i canali. Ispirato a fare lo stesso con un materiale poroso sintetico, M. Scott Shell e colleghi volevano utilizzare i computer per progettare l’interno di un poro di nanotubi di carbonio per filtrare l’acqua contenente acido borico.
I ricercatori hanno simulato un canale di nanotubi di carbonio con gruppi idrossilici (che attirano l’acqua) e/o metilici (che respingono l’acqua) legati a ciascun atomo sulla parete interna. Quindi hanno progettato e testato migliaia di modelli di gruppi funzionali con algoritmi di ottimizzazione e apprendimento automatico, un tipo di intelligenza artificiale, per valutare la velocità con cui l’acqua e l’acido borico si muoverebbero attraverso il poro. Ecco cosa hanno trovato:
I modelli ottimali avevano una o due file di gruppi idrossilici inseriti tra i gruppi metilici, formando anelli attorno alla sezione mediana del poro.
In queste simulazioni, l’acqua è passata attraverso il poro quasi due volte più velocemente dell’acido borico.
Un’altra serie di simulazioni ha mostrato che anche altri soluti neutri, tra cui fenolo, benzene e isopropanolo, potrebbero essere separati dall’acqua con i design ottimizzati dei nanotubi di carbonio.
Questo studio dimostra l’utilità dell’intelligenza artificiale per lo sviluppo di membrane per la purificazione dell’acqua con nuove proprietà, affermano i ricercatori, e potrebbe costituire la base di un nuovo tipo di sistema di filtraggio. Aggiungono che l’approccio potrebbe essere adattato per progettare superfici che potrebbero avere interazioni uniche con l’acqua o altre molecole, come i rivestimenti che resistono alle incrostazioni.
Gli autori riconoscono il finanziamento del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (tramite il Center for Materials for Water and Energy Systems (M-WET), un Energy Frontier Research Center) con il supporto aggiuntivo della US National Science Foundation, del California NanoSystems Institute, del Materials Centro di ricerca scientifica e ingegneria e una borsa di studio per la ricerca per laureati della National Science Foundation.
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