De minuscules robots et des algorithmes d'intelligence artificielle pourraient contribuer à l'élaboration de solutions matérielles pour des environnements plus propres
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De nombreuses activités humaines libèrent des polluants dans l'air, l'eau et le sol. Ces substances chimiques nocives menacent la santé des personnes et de l'écosystème. Selon l'Organisation mondiale de la santé, la pollution de l'air est à l'origine d'environ 4,2 millions de décès par an.
Les scientifiques recherchent des solutions, et l'une des pistes potentielles est une classe de matériaux appelés photocatalyseurs. Sous l'effet de la lumière, ces matériaux subissent des réactions chimiques qui, selon les premières études, peuvent décomposer des polluants toxiques courants.
Avec l’aide de robots et de l’lA, es chercheurs en science et ingénierie des matériaux à l'université du Tennessee fabriquent et testent de nouveaux photocatalyseurs dans le but d'atténuer la pollution de l'air.
Décomposition des polluants
Les photocatalyseurs fonctionnent en générant des porteurs de charge en présence de lumière. Ces porteurs chargés sont de minuscules particules qui peuvent se déplacer et provoquer des réactions chimiques. Lorsqu'ils entrent en contact avec l'eau et l'oxygène de l'environnement, ils produisent des substances appelées espèces réactives de l'oxygène. Ces espèces réactives de l'oxygène, très actives, peuvent se lier à certaines parties des polluants et les décomposer ou les transformer en produits inoffensifs, voire utiles.
Une machine métallique en forme de cube avec une chambre remplie de lumière vive, et une plaque de tubes montrée en train de passer sous la lumière.
Pour faciliter la réaction photocatalytique, les chercheurs du laboratoire d'Ahmadi placent des plaques de nanocristaux de pérovskite et des polluants sous une lumière vive pour voir si la réaction décompose les polluants. Astita Dubey
Mais certains matériaux utilisés dans le processus photocatalytique ont des limites. Par exemple, ils ne peuvent déclencher la réaction que si la lumière a suffisamment d'énergie - les rayons infrarouges avec une lumière de moindre énergie, ou la lumière visible, ne déclencheront pas la réaction.
Un autre problème est que les particules chargées impliquées dans la réaction peuvent se recombiner trop rapidement, ce qui signifie qu'elles se rejoignent avant d'avoir terminé leur travail. Dans ce cas, les polluants ne se décomposent pas complètement ou le processus prend beaucoup de temps.
En outre, la surface de ces photocatalyseurs peut parfois changer pendant ou après la réaction photocatalytique, ce qui affecte leur fonctionnement et leur efficacité.
Pour surmonter ces limitations, les scientifiques tentent de développer de nouveaux matériaux photocatalytiques qui fonctionnent efficacement pour décomposer les polluants. Nous veillons également à ce que ces matériaux ne soient pas toxiques, afin que nos matériaux de dépollution n'aggravent pas la pollution.
Une plaque de minuscules tubes, dont certains sont colorés en bleu foncé, d'autres en bleu clair et d'autres encore en transparent.
Cette plaque du laboratoire Ahmadi est utilisée pour tester la façon dont les nanocristaux de pérovskite et la lumière décomposent les polluants, comme le colorant bleu illustré. La couleur bleu clair indique une dégradation partielle, tandis que l'eau transparente signifie une dégradation complète. Astita Dubey
De minuscules cristaux
Les scientifiques utilisent l'expérimentation automatisée et l'intelligence artificielle pour déterminer quels matériaux photocatalytiques pourraient être les meilleurs candidats pour décomposer rapidement les polluants. Ils fabriquent et testent des matériaux appelés pérovskites hybrides, qui sont de minuscules cristaux dont l'épaisseur équivaut à un dixième de celle d'une mèche de cheveux.
Ces nanocristaux sont constitués d'un mélange de composants organiques (à base de carbone) et inorganiques (sans carbone).
Ils possèdent quelques qualités uniques, comme leurs excellentes propriétés d'absorption de la lumière, qui sont dues à la façon dont ils sont structurés au niveau atomique. Ils sont minuscules, mais puissants. Ils interagissent avec la lumière de manière fascinante pour générer un grand nombre de minuscules porteurs de charge et déclencher des réactions photocatalytiques.
Ces matériaux transportent efficacement les charges électriques, ce qui leur permet de transporter l'énergie lumineuse et d'entraîner les réactions chimiques. Ils sont également utilisés pour rendre les panneaux solaires plus efficaces et dans les lumières LED, qui créent les affichages éclatants que vous voyez sur les écrans de télévision.
Il existe des milliers de types potentiels de nanocristaux hybrides. L’équipe a donc voulu trouver un moyen d'en fabriquer et d'en tester le plus grand nombre possible rapidement, afin de déterminer quels sont les meilleurs candidats pour la dépollution des polluants toxiques.
Faire appel à des robots
Au lieu de fabriquer et de tester des échantillons à la main, ce qui prend des semaines ou des mois, les chercheurs font appel à des robots intelligents, qui peuvent produire et tester au moins 100 matériaux différents en l'espace d'une heure. Ces petits robots manipulateurs de liquides peuvent déplacer, mélanger et transférer avec précision de minuscules quantités de liquide d'un endroit à l'autre. Ils sont contrôlés par un ordinateur qui guide leur accélération et leur précision.
Le robot pipetteur Opentrons aide Astita Dubey, une scientifique invitée travaillant avec le laboratoire Ahmadi, à synthétiser des matériaux et à les traiter avec des polluants organiques afin de vérifier s'ils peuvent les décomposer.
Ils utilisent également l'apprentissage automatique pour guider ce processus. Les algorithmes d'apprentissage automatique peuvent analyser rapidement les données de test et en tirer des enseignements pour la prochaine série d'expériences exécutées par les robots. Ces algorithmes d'apprentissage automatique peuvent rapidement identifier des schémas et des idées dans les données collectées, ce qui prendrait normalement beaucoup plus de temps à l'œil humain.
Leur approche vise à simplifier et à mieux comprendre les systèmes photocatalytiques complexes, en aidant à créer de nouvelles stratégies et de nouveaux matériaux. En utilisant l'expérimentation automatisée guidée par l'apprentissage automatique, ils peuvent maintenant rendre ces systèmes plus faciles à analyser et à interpréter, en surmontant des défis qui étaient difficiles à relever avec les méthodes traditionnelles.