Questo articolo sull’IA presenta PolyID l’apprendimento automatico all’avanguardia nella scoperta di polimeri biobasati ad alte prestazioni

PolyID apprendimento automatico all'avanguardia nella scoperta di polimeri biobasati ad alte prestazioni

L’intelligenza artificiale viene utilizzata in tutti gli aspetti della vita. L’IA viene utilizzata in tutte le direzioni della vita ed è diventata utile in vari campi, tra cui la chimica e la scienza dei polimeri. In chimica e scienza dei polimeri, l’IA aiuta gli scienziati a scoprire nuovi materiali. Prevede come reagiscono diverse sostanze chimiche e suggerisce le migliori combinazioni per creare materiali nuovi e migliori. Questo rende il processo di sviluppo di sostanze chimiche e polimeri più veloce ed efficiente.

Tuttavia, la sfida che si presenta ai materiali scienziati nel XXI secolo risiede nella formulazione di polimeri più sostenibili con migliori standard di prestazioni. Questa sfida diventa particolarmente evidente quando le risorse primarie disponibili sono limitate ai prodotti petrolchimici. Questo compito richiede un equilibrio, richiedendo sia ingegnosità che metodologie scientifiche avanzate per sviluppare polimeri che soddisfino rigorosi criteri di prestazione e aderiscano a principi sostenibili in linea con le considerazioni ambientali contemporanee.

Secondo Brandon Knott, uno scienziato del National Renewable Energy Laboratory (NREL), il petrolio è composto principalmente da idrocarburi, essenzialmente configurazioni di carbonio e idrogeno. Queste disposizioni molecolari mostrano proprietà benefiche, costituendo la base per varie caratteristiche vantaggiose. La scoperta di Knott enfatizza l’importanza di comprendere gli elementi idrocarburici e la composizione molecolare del petrolio per sfruttare le sue straordinarie caratteristiche per varie applicazioni.

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Gli idrocarburi non contengono elementi come ossigeno e azoto. Ma questi elementi sono indispensabili nella produzione di polimeri che richiedono una gamma più ampia di funzionalità oltre a quelle che gli idrocarburi da soli possono offrire. Knott suggerisce una soluzione che prevede l’introduzione di biomasse e rifiuti ricchi di ossigeno e azoto nell’elenco degli ingredienti. Materiali come le stecche di mais, le alghe e persino i rifiuti possiedono legami chimici aggiuntivi, fornendo ai chimici una maggiore flessibilità per ottenere proprietà specifiche nel processo di produzione di polimeri. Questo approccio non solo amplia la funzionalità dei polimeri, ma contribuisce anche a una metodologia di produzione più sostenibile e efficiente delle risorse.

Il National Renewable Energy Laboratory (NREL) ha utilizzato uno strumento di apprendimento automatico avanzato, PolyID (Polymer Inverse Design), per agevolare l’equilibrio nello sviluppo dei polimeri. Questo strumento prevede le proprietà dei materiali in base alla struttura molecolare. Con PolyID, i ricercatori possono valutare milioni di possibili progetti di polimeri e generare una lista ristretta personalizzata per applicazioni specifiche.

PolyID stabilisce connessioni tra le disposizioni di elementi come ossigeno, idrogeno e carbonio e le proprietà del materiale, facilitando la previsione di attributi come elasticità, tolleranza al calore e prestazioni di tenuta. Gli scienziati del NREL hanno utilizzato con successo PolyID per valutare oltre 15.000 polimeri a base vegetale, alla ricerca di alternative biodegradabili per i film di imballaggio alimentare contemporanei composti principalmente da polietilene ad alta densità, un materiale a base di petrolio. PolyID ha dato priorità a proprietà essenziali, tra cui resistenza ad alte temperature e tenuta al vapore robusta, incorporando anche attributi ambientalmente desiderabili come la biodegradabilità e una riduzione delle emissioni di gas serra.

I ricercatori hanno anche effettuato test di laboratorio per confermare l’accuratezza delle previsioni di PolyID. La scoperta è stata che tutti e sette i polimeri hanno mostrato resistenza alle alte temperature e hanno dimostrato di poter ridurre le emissioni nette di gas serra. Inoltre, questi polimeri hanno prolungato la freschezza dei cibi confezionati, mostrando il potenziale di PolyID nell’identificare in modo efficiente soluzioni polimeriche ecologiche e ad alte prestazioni.

PolyID acquisisce la capacità di prevedere la progettazione di nuovi polimeri per particolari proprietà fisiche costruendo un’estesa banca dati che collega la composizione molecolare dei polimeri alle loro caratteristiche conosciute. Secondo Nolan Wilson, autore principale dello studio, il sistema può effettuare previsioni estremamente accurate per strutture nuove che potrebbero non essere state sperimentate o realizzate in precedenza.