سنتز پیش سازهای پلاستیکی ، مانند پلیمرها ، شامل کاتالیزورهای تخصصی است. با این حال ، روش مبتنی بر دسته ای سنتی برای پیدا کردن و غربالگری موارد مناسب برای یک نتیجه خاص ، لیتر حلال را مصرف می کند ، مقادیر زیادی زباله شیمیایی را تولید می کند ، و یک فرآیند گران قیمت و وقت گیر است که شامل چندین آزمایش است.
رایان هارتمن ، استاد مهندسی شیمی و زیست توده در دانشکده فنی مهندسی NYU Tandon ، و آزمایشگاه او یک آزمایشگاه مبتنی بر "میکروسیستم هوشمند" با استفاده از یادگیری ماشین ، برای مدل سازی واکنش های شیمیایی که نشان دهنده نوید برای از بین بردن این روند پرهزینه و به حداقل رساندن آسیب های زیست محیطی است ، ایجاد کردند.
در تحقیقات خود با عنوان "ترکیب آزمایش خودکار میکرو فلوئیدیک با یادگیری ماشین برای طراحی پلیمریزاسیون کارآمد" ، که در Nature Machine Intelligence منتشر شده است ، همکاران ، از جمله دانشجوی دکترا Benjamin Rizkin ، از یک microreactor طراحی شده با سرعت نمونه برداری بهمراه اتوماسیون و مادون قرمز درجا استفاده کردند. ترموگرافی برای مطالعه واکنشهای گرمازدایی (تولید گرما) پلیمریزاسیون-که به سختی کنترل می شوند وقتی داده های جنبشی آزمایشی محدود در دسترس هستند کنترل می شود. آنها با جفت کردن فن آوری میکروسیالی کارآمد با الگوریتم های یادگیری ماشین برای به دست آوردن مجموعه داده های با اطمینان بالا بر اساس حداقل تکرارها ، آنها توانستند پس از هفته ها به زباله های شیمیایی با دو مرتبه بزرگی و کشف کاتالیزوری کاهش دهند.
هارتمن توضیح داد که طراحی راه اندازی میکروسیالی ، تیم را ملزم می کند که ابتدا ترمودینامیک واکنشهای پلیمریزاسیون را تخمین بزند ، در این حالت شامل یک کلاس از کاتالیزورهای متالوسن است که به طور گسترده در پلیمریزاسیون در مقیاس صنعتی از پلی اتیلن و سایر پلیمرهای گرمانرم استفاده می شود.
هارتمن گفت: "ما برای اولین بار تخمین ترتیب مرتبه ای از گرما و حمل و نقل انبوه را ایجاد کردیم." "آگاهی از این مقادیر ما را قادر ساخت تا یک وسیله ریزگردها طراحی کنیم که بتواند فعالیت کاتالیزورها را نمایش دهد و مکانیزم های مقیاس پذیر را ارائه دهد که از سینتیک ذاتی مورد نیاز برای فرآیندهای در مقیاس صنعتی تقلید کند."
هارتمن افزود که چنین سیستم بنچستوپ می تواند دریچه طیف وسیعی از داده های تجربی دیگر را باز کند. وی توضیح داد: "این می تواند زمینه را برای تجزیه و تحلیل سایر خصوصیات مورد علاقه مانند نحوه اختلاط جریان ، پراکندگی ، انتقال حرارت ، انتقال جرم و سینتیک واکنش بر خصوصیات پلیمر فراهم کند."
تیم تحقیق با استفاده از کاتالیزورهای پلیمری مبتنی بر زیرکونوسن ، میکروفلوئیدها را که در تحقیقات سایر واکنشهای اگزوترمیکی ثابت شده اند- با یک پمپ خودکار و مادون قرمز به منظور جابجایی تغییرات در واکنش بر اساس گرمازدگیها (ترکیباتی که در هنگام تشکیل حرارت ایجاد می کنند) جفت کردند. در آزمایش سریع و پر سرعت برای نقشه برداری از فضای واکنش کاتالیزور. از آنجا که این فرآیند در یک راکتور کوچک انجام شد ، آنها قادر به معرفی کاتالیزور حل شده در مایع بودند ، و نیاز به شرایط شدید را برای القاء کاتالیز از بین می برد.
هارتمن گفت: "واقعیت این است که بیشتر پلاستیک ها با استفاده از کاتالیزورهای متالوسن متصل به ذرات سیلیس ساخته می شوند و بستر ناهمگن ایجاد می کنند که مونومرهایی مانند پروپیلن و اتیلن را به صورت پلیمریزه می کند." "پیشرفت های اخیر در کاتالیزور همگن متالوسن محلول ، شرایط واکنش ملایم تری را فراهم می کند."
گروه هارتمن پیش از این نشان می داد که شبکه های عصبی مصنوعی (ANN) می تواند به عنوان ابزاری برای مدل سازی و درک مسیرهای پلیمریزاسیون مورد استفاده قرار گیرد. در تحقیقات جدید آنها شبکه های عصبی مصنوعی مدل سازی گرمازا-zirconocene کاتالیز اعمال پلیمریزاسیون . محققان با استفاده از سیستم های MATLAB و LabVIEW برای کنترل واکنش ها ، رابط با دستگاه های خارجی و تولید الگوریتم های محاسباتی پیشرفته ، یک سری از شبکه های عصبی محلی را برای مدل سازی و بهینه سازی کاتالیز بر اساس نتایج تجربی ایجاد کردند.
"شرکتهای شیمیایی معمولاً از رآکتورهای 100 میلی لیتری تا 10 لیتری برای غربالگری صدها کاتالیزور استفاده می کنند که به نوبه خود می توانند در تولید پلاستیک ها مقیاس شوند. در اینجا ما از یک میلی لیتر کمتر استفاده می کنیم و با پایین آوردن ردپای آزمایش های آزمایشگاهی شما مقیاس می گیرید. از امکانات مورد نیاز ، بنابراین کل اثر کاهش می یابد. کار ما ابزار مفیدی را برای تجزیه و تحلیل علمی و فنی و اقتصادی تکنیک های پیچیده کاتالیزوری فراهم می کند. "
اکتشافات هارتمن و آزمایشگاه وی درهای مختلفی را برای تحقیقات جدید ، در درجه اول شامل مفهوم شیمی اتوماتیک ، یا "روباتیک" ، افزایش توان عملیاتی ، وفاداری داده ها و استفاده ایمن از پلیمریزاسیون های بسیار گرمازا به وجود می آورد.
- ۹۹/۰۲/۲۷