Új utak a műanyag-erősítésben
A kutatók gépi tanulás segítségével olyan molekulákat kerestek, amelyeket hozzáadva a polimerekhez (a műanyagok alapjaihoz), azok sokkal jobban ellenállnak a szakítóerőnek. Ezek a keresett molekulák a mechanofórok csoportjába tartoznak – olyan kémiai anyagok, amelyek szerkezete vagy tulajdonságai mechanikai hatásra változnak. Gondolj bele: amikor eddig erőhatás érte a műanyagot, jellemzően megrepedt vagy eltört, most azonban éppen ellenállóbbá válhat.
Ebben a friss kutatásban a figyelem középpontjába vasat tartalmazó ferrocén-vegyületek kerültek. Bár a ferroceneket már alkalmazzák gyógyszerként vagy katalizátorként, mechanofórként gyakorlatilag ismeretlenek voltak. A kutatási folyamat eddig rendkívül lassú volt: egyetlen potenciális mechanofór vizsgálata akár hetekig is eltartott. Azonban az MI-alapú modellezéssel ezt a folyamatot most radikálisan fel lehet gyorsítani.
A gyenge láncszem megerősíti a láncot
A mechanofórok annyira egyediek, hogy valóban különbözőképpen viselkednek külső erő hatására – például megváltozik a színük, atomelrendezésük vagy fizikai tulajdonságaik. Egy korábbi megfigyelés azt mutatta, hogy ha szándékosan gyengébb keresztkötéseket építünk be egy polimer hálózatba, az meglepő módon összességében erősebb anyagot eredményez. Ennek oka, hogy a repedések inkább a gyengébb kötések mentén terjednek, így több kötést kell átszakítaniuk, mielőtt továbbhaladhatnának.
A kutatók ezért széles körben feltérképezték, mely mechanofórok alkalmasak stratégiai, „gyenge láncszemként” funkcionálni az anyag szerkezetében. Az MI segítségével előre tudták jelezni, mely összetevők rendelkeznek ilyen tulajdonságokkal.
Az MI villámgyorsan kutat az adattengerben
A Cambridge-i Struktúrális Adatbankból 5000 már szintetizált ferrocén szerkezethez jutottak hozzá, így a gyakorlati megvalósítás sem jelentett akadályt. Első körben nagyjából 400 molekulát modelleztek számítógéppel, hogy megbecsüljék, mekkora erő szükséges atomjaik széthúzásához – tehát azt keresték, mely molekulák törnek el könnyen. Ezek a „szívesen törő” keresztkötések paradox módon növelik a végső műanyag szakadási ellenállását.
Az így nyert adatok és szerkezeti információk alapján egy neurális hálózatot tanítottak be, amely az összes többi (4500 plusz 7000 további, kisebb módosítással létrehozott) ferrocén szerkezet tulajdonságait előre tudta jelezni. Két fő tényezőt azonosítottak, amelyek növelik a szakadási ellenállást: az egyik a ferrocén gyűrűkhöz kapcsolódó kémiai csoportok közötti kölcsönhatás, a másik pedig az, ha nagy, „tömzsi” molekulák kapcsolódnak mindkét gyűrűhöz. Ezt utóbbit még tapasztalt kémikusok sem feltételezték volna, erre csak az MI derített fényt.
Négyszer erősebb műanyag születik
Miután körülbelül 100 ígéretes jelöltet kiválasztottak, a Duke Egyetem laboratóriumában elő is állítottak egy polimer anyagot, amelyben az egyik (m-TMS-Fc) szerepelt keresztkötőként. Az így kapott műanyag többszörösen erősebbnek bizonyult: szakítópróbák alapján négyszer ellenállóbb volt a hagyományos ferrocént tartalmazó polimernél.
Fontos megjegyezni, hogy ha a mindennapi műanyagtárgyak élettartama hosszabb lesz, az egyszerűen kevesebb hulladékot jelent. Ha egy zacskó, palack vagy autóalkatrész lassabban amortizálódik, az egész társadalom műanyagfogyasztása mérséklődhet. Ez különösen időszerű érv, tekintettel arra, hogy a műanyaghulladék világszerte egyre nagyobb problémát jelent.
Új távlatok: okos anyagok és orvosi alkalmazások
A kutatócsoport tervezi, hogy a jövőben az MI-alapú keresést más kívánt tulajdonságokra is kiterjeszti – például olyan mechanofórokat keresnek, amelyek erőhatásra színt váltanak, katalitikusan aktiválódnak vagy akár gyógyszerhordozók lehetnek. Ezekből a tulajdonságokból születhetnek stresszérzékelő, „kapcsolható” anyagok vagy új típusú gyógyszerszállító rendszerek.
A fentiek alapján elmondható: az MI segítségével most először lehet igazán gyorsan és célzottan olyan fémtartalmú molekulákat felfedezni, amelyek révén az emberiség tartósabb és okosabb műanyagokat alkothat – nem csupán laboratóriumban, hanem akár a mindennapi életben is.
