Szkielety organiczne z wbudowanymi cząsteczkami metali, zwane MOF, to nowa klasa materiałów o szczególnych własnościach. Algorytmy sztucznej inteligencji pomagają je projektować. A chemicy zacierają ręce…

Związki chemiczne zwane MOF-ami (od angielskiego metal-organic framework) po polsku nazywa się zwykle „szkieletami metalo-organicznymi” lub po prostu „materiałami metalo-organicznymi”. Odkryto je pod koniec ostatniej dekady ubiegłego wieku w laboratorium profesora Omara Yaghiego z University of California w Berkeley.

Mają wiele cennych właściwości zależnych od tego, z jakiego szkieletu związku organicznego i jakiego metalu się składają. Ich wspólną cechą jest to, że strukturą przypominają gąbkę. Tak jak one mają niezwykłą zdolność pochłaniania niektórych substancji. Kluczowym słowem jest tu „niektórych”. Zwykła gąbka pochłonie każdą ciecz. MOF-y są bardzo wybredne i w tym leży ich największa siła. Jedne chętnie chłoną tylko metan, inne na przykład – tylko parę wodną, co pozwala produkować wodę z powietrza.

Nauka dla spragnionych

Profesor Yaghi urodził się w Jordanii. Jak wspomina w rozmowie z tygodnikiem „New Scientist”, pamięta, że woda docierała do jego domu przez kilka godzin w tygodniu. Dobrze pamiętał, jak była bezcenna, nic więc dziwnego, że swoją naukową karierę poświęcił na badanie nowych materiałów. Jednym z jego celów było stworzenie takiego, który będzie pochłaniał wodę z powietrza – po to, by ją potem oddać spragnionym.

W kwietniu 2017 roku tygodnik „Science” opisywał jego urządzenie, które za pomocą konkretnego związku metalo-organicznego pochłaniało ją nawet z suchego, pustynnego powietrza. MOF-801 to połączenie atomów cyrkonu z pomocą cząsteczek kwasu adypinowego. Para wodna była pochłaniana w nocy, a w dzień, gdy słońce podgrzewało skrzynkę, uwalniała się i skraplała na ścianach urządzenia. Naukowcy przez rok testowali prototyp na dachu Arizona State University w Tempe na skraju pustyni. Działał nawet przy wilgotności 20-30 procent (dla porównania, w najbardziej upalne i suche dni w Polsce nie spada ona poniżej 40-50 procent).

W czerwcu 2018 roku badacze opublikowali pracę „Practical water production from desert air” (czyli „Praktyczne wytwarzanie wody z pustynnego powietrza”). W usprawnionym nieco urządzeniu uzyskiwali z suchego powietrza 2,8 litra wody na kilogram MOF-u na dobę.

W 2019 roku naukowcy z tego samego laboratorium donieśli, że mają lepszy MOF (o numerze 303). Zamiast drogiego cyrkonu (którego kilogram kosztuje około 600 złotych) wykorzystali znacznie tańszy glin, który powszechnie występuje w wielu pospolitych minerałach. Nowy materiał pochłaniał o jedną trzecią wody więcej. Co najważniejsze zaś, robił to szybciej. Na urządzeniu zamontowano dodatkowo panele fotowoltaiczne, żeby napędzać małe wiatraczki, co zwiększyło przepływ powietrza i pochłanianie pary wodnej.

Celem laboratorium Yaghiego jest urządzenie wielkości kuchenki mikrofalowej, które produkować będzie do 10 litrów wody dziennie – dwa takie aparaty starczyłyby, by zaspokoić pragnienie i potrzeby higieniczne jednej osoby (Światowa Organizacja Zdrowia WHO uznaje, że niezbędnych jest do tego 20 litrów wody dziennie). Naukowcy chcą też zbudować maszynę wielkości lodówki, która będzie w stanie wytworzyć od 200 do 250 litrów. A to starczy już na cały dzień dla rodziny lub do podlewania roślin w przydomowym ogródku.

Omar Yaghi zauważa, że w atmosferze jest niemal tyle samo wody co w rzekach i jeziorach całego świata. „Zbieranie wody z powietrza może zamienić pustynie w oazy” – twierdzi.

Nic dziwnego, że jego laboratorium zostało zasypane pytaniami o urządzenie. Napływały z krajów, gdzie woda jest towarem deficytowym – w projekt udoskonalania urządzenia zaangażowała się Arabia Saudyjska. Komentujący to specjaliści z dziedziny chemii twierdzą, że niewiele brakuje, żeby w niedalekiej przyszłości takie urządzenia zasilały niewielkie zbiorniki wody lub wręcz strumienie.

Gąbka jak scyzoryk

MOF-y, jak już wspominaliśmy, są bardzo wyspecjalizowane. Nie muszą pochłaniać pary wodnej. Mogą służyć jako gąbki na wiele innych substancji. Ze względu na swoją strukturę nadają się na przykład do bezpiecznego przechowywania gazów. W pojemniku wypełnionym odpowiednim MOF-em (również opracowanym w laboratorium Yaghiego) można pomieścić więcej gazu niż w pustym – wszystko dzięki temu, że materiał jest porowaty, więc ma niezwykle dużą powierzchnię.

Znanych jest już ponad 20 tysięcy różnych związków metalo-organicznych – każdy ma skłonność do wyłapywania innych substancji. Mogą więc służyć do przechowywania niebezpiecznych substancji, jako chemiczne „pojemniki” na różne półprodukty zbyt chętne do wejścia w chemiczne reakcje czy selektywnie pochłaniać zanieczyszczenia. Ich niezwykle duża powierzchnia oznacza, że mogą łączyć się ze znacznie większą ilością substratów reakcji i w ten sposób je ułatwiać, czyli działać jak katalizatory. Co za tym idzie, wiele reakcji chemicznych można za ich pomocą przyspieszyć.

Mogą wreszcie pochłaniać dwutlenek węgla. To bardzo by się przydało naszej cywilizacji, która bezustannie produkuje go i uwalnia do atmosfery, co prowadzi nas do klimatycznej katastrofy. MOF-y „lubiące” ten gaz cieplarniany mogłyby wyłapywać go z kominów elektrowni i rur wydechowych pojazdów. Potem można by go chemicznie związać na stałe z pomocą odpowiednich minerałów i wykorzystać lub składować – na przykład w nieczynnych kopalniach. Być może nie uratowałoby to nas przed stale postępującym ociepleniem klimatu, ale pozwoliłoby je spowolnić, by zyskać nieco czasu na opracowanie lepszych rozwiązań na rozpędzanie gospodarki niż spalanie paliw kopalnych.

W poszukiwaniu stabilnych związków

Sęk w tym, że stworzenie materiału o odpowiednich właściwościach wymaga wielu lat badań – i szczęścia. Chemicy jeszcze do niedawna po prostu mieszali ze sobą odpowiednie związki, czekali (czasem przedtem je podgrzewali) i sprawdzali, co im wyszło. Zaś to, co się pojawiło w chemicznym tyglu, nie musiało być stabilne. Nic dziwnego, że opracowanie związku o pożądanych właściwościach mogło trwać dekady (laboratorium Yaghiego nad MOF-em pochłaniającym parę wodną pracowało niemal 20 lat).

Ostatnie kilka lat przyniosło niezwykły rozwój „chemii obliczeniowej” i algorytmów, które mogą chemikom wiele podpowiedzieć. Dwie nowe prace opublikowane niedawno w „Nature Machine Intelligence” wskazują, jak cenne mogą być algorytmy uczenia maszynowego w projektowaniu związków chemicznych – MOF-ów w szczególności.

Pierwsza poświęcona jest temu, jak algorytmy skutecznie nauczyły się przewidywać stabilność takich związków w obecności wody. Wiele substancji w jej „towarzystwie” ulega rozpadowi (hydrolizie) i MOF-y nie są wyjątkiem. Chemicy mogą z grubsza przewidzieć, które są wrażliwe na wilgoć i niestabilne, jeśli mają odpowiednią wiedzę i doświadczenie. Sieci neuronowe wyuczone na dwustu takich związkach okazały się w tym znakomite. Nic w tym dziwnego, tłumaczy Krista S. Walton z Georgia Tech, współautorka pracy – dane, którymi sieć „nakarmiono”, to efekt lat pracy wielu badaczy.

Druga – bardziej teoretyczna – praca dotyczy ogólnych możliwości sieci neuronowych w chemii i inżynierii materiałów. Opisuje rosnący ekosystem baz danych o różnych związkach i użyteczność algorytmów uczenia maszynowego w wyciąganiu wniosków przy projektowaniu nowych materiałów lub dróg ich syntezy. To pozwala na niebywałą oszczędność czasu, ale też produktów, pieniędzy i (co równie ważne) środowiska naturalnego.

„Uczenie maszynowe pozwala w pełni wykorzystać istniejącą wiedzę w najbardziej wydajny i skuteczny sposób. Jeśli przeprowadzono już dwieście eksperymentów, uczenie maszynowe pozwala na wykorzystanie całej sumy dotychczasowej wiedzy w planowaniu dwieście pierwszego”, tłumaczy w komunikacie prasowym Rampi Ramprasad, wykładowca Georgia Tech School of Materials Science, współautor obu prac.

Jak piszą badacze w pracy, zwiększenie wydajności, przyspieszenie odkryć i poprawa wydajności procesów chemicznych są w zasięgu ręki. Umożliwia to integracja różnych elementów „rozkwitającego krajobrazu uczenia maszynowego”, która jest początkiem partnerstwa ludzi z maszynami.

Skip to content