Gửi bình luận
Các nhà nghiên cứu tại Viện Khoa học và Công nghệ tiên tiến Hàn Quốc (KAIST) đã thành công trong việc phát hiện vật liệu mới để xử lý môi trường hạt nhân.
Ngày 2.7, KAIST cho biết nhóm nghiên cứu do Giáo sư Ryu Ho-jin thuộc Khoa Kỹ thuật Hạt nhân và Lượng tử, phối hợp cùng tiến sĩ Noh Joo-hwan thuộc Trung tâm Nghiên cứu Hóa học số của Viện Nghiên cứu Công nghệ hóa học Hàn Quốc (KRICT), đã phát triển thành công một loại công nghệ nhằm phát hiện vật liệu có khả năng loại bỏ hiệu quả iốt – một chất ô nhiễm phóng xạ. Điều đáng lưu ý, phát hiện trên được thực hiện nhờ trí tuệ nhân tạo.
Nghiên cứu này còn có sự tham gia của tiến sĩ Soo-Jeong Lee – cựu nghiên cứu sinh Khoa Khoa học và Kỹ thuật vật liệu tại KAIST.
Việc quản lý chất thải phóng xạ là một trong những nhiệm vụ then chốt trong quá trình sử dụng năng lượng hạt nhân. Đặc biệt, đồng vị phóng xạ 'iốt' I-129 có chu kỳ bán rã lên đến 15,7 triệu năm, gây ra mối nguy hại nghiêm trọng đối với môi trường và sức khỏe con người.
Adsorbent hiện có hiệu quả với iốt dạng nước
Theo một báo cáo gần đây, iốt – một chất ô nhiễm phóng xạ – thường tồn tại dưới dạng ion iodate (IO₃⁻) trong môi trường nước. Tuy nhiên, các chất hấp phụ truyền thống dựa trên bạc lại tỏ ra kém hiệu quả do khả năng hấp phụ hóa học thấp.
Nhóm của Giáo sư Ryu Ho-jin đã phát hiện ra chất hấp phụ iodate tối ưu trong số các hợp chất thuộc nhóm hydroxide lớp kép (LDH) chứa nhiều nguyên tố kim loại khác nhau, thông qua một chiến lược thực nghiệm kết hợp học máy (machine learning).
Loại hydroxide lớp kép chứa nhiều kim loại, gồm đồng – crôm – sắt – nhôm (ký hiệu Cu₃(CrFeAl)) được phát triển trong nghiên cứu này đã cho thấy hiệu suất hấp phụ iodate vượt mức 90%. Kết quả này đạt được nhờ vào phương pháp học tích cực (active learning) dựa trên trí tuệ nhân tạo, giúp khai thác hiệu quả không gian tổ hợp vật liệu vốn quá rộng lớn để có thể thử nghiệm theo cách truyền thống.
Hiệu quả cao?
Nhóm nghiên cứu đã bắt đầu với dữ liệu thực nghiệm từ 24 hợp chất nhị phân và 96 hợp chất tam phân, sau đó mở rộng tìm kiếm sang các hợp chất có 4 và 5 thành phần. Cuối cùng, chỉ cần thử nghiệm 16% tổng số ứng viên mà vẫn phát hiện được vật liệu tối ưu cho việc loại bỏ iốt.
Giáo sư Ryu Ho-jin nhận định: “Chúng tôi kỳ vọng rằng việc áp dụng trí tuệ nhân tạo sẽ chứng minh tiềm năng to lớn trong việc tìm kiếm hiệu quả các vật liệu xử lý ô nhiễm phóng xạ từ một kho ứng viên đồ sộ, qua đó góp phần đẩy nhanh tiến trình nghiên cứu phát triển vật liệu mới phục vụ xử lý môi trường hạt nhân”.
Chuẩn bị đăng ký bằng sáng chế và thương mại hóa
Nhóm của Giáo sư Ryu đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế trong nước cho công nghệ bột hấp phụ đã phát triển và đang tiến hành các thủ tục để xin cấp bằng sáng chế ở nước ngoài. Trong tương lai, nhóm nghiên cứu có kế hoạch cải tiến hiệu suất của loại bột này nhằm thích nghi với nhiều điều kiện sử dụng khác nhau, đồng thời xúc tiến quá trình thương mại hóa thông qua hợp tác giữa giới học thuật và công nghiệp trong lĩnh vực phát triển bộ lọc xử lý nước nhiễm xạ.
Công trình đã được đăng tải trực tuyến trên tạp chí Journal of Hazardous Materials danh tiếng trong lĩnh vực môi trường.
Nâng cao vai trò ngành thông tin trong hóa học
Phát hiện trên là một bước đột phá lớn, mang lại ý nghĩa sâu rộng cho ngành hóa học, đặc biệt là trong lĩnh vực hóa học vật liệu và hóa học thông tin.
1. Nâng cao vai trò của hóa học tính toán và hóa học thông tin
Cầu nối giữa lý thuyết và thực nghiệm: AI giúp kết nối chặt chẽ hơn giữa hóa học tính toán (sử dụng mô phỏng và mô hình lý thuyết) và hóa học thực nghiệm, rút ngắn khoảng cách từ thiết kế ý tưởng đến sản phẩm thực tế.
Xử lý dữ liệu phức tạp: Ngành hóa học tạo ra lượng lớn dữ liệu từ các thí nghiệm, mô phỏng và các cơ sở dữ liệu vật liệu. AI là công cụ lý tưởng để xử lý, phân tích và rút ra những hiểu biết sâu sắc từ những tập dữ liệu khổng lồ này, điều mà con người khó có thể làm được.
2. Thay đổi phương pháp khám phá vật liệu mới
Tăng tốc độ và hiệu quả nghiên cứu: Theo truyền thống, việc khám phá vật liệu mới là một quá trình tốn kém thời gian, công sức và tài nguyên, thường dựa vào thử nghiệm và sai sót (trial and error) hoặc trực giác của nhà khoa học. Với AI, các nhà nghiên cứu có thể sàng lọc hàng triệu ứng viên vật liệu tiềm năng trong thời gian ngắn, dự đoán các tính chất của chúng mà không cần tổng hợp vật lý. Điều này giúp đẩy nhanh đáng kể chu kỳ nghiên cứu và phát triển.
Mở rộng không gian tìm kiếm: AI có thể khám phá các vật liệu với cấu trúc và thành phần phức tạp mà con người khó có thể hình dung hoặc tổng hợp bằng các phương pháp truyền thống. Nó cho phép tìm kiếm trong một "không gian hóa học" rộng lớn hơn nhiều.
Khám phá các nguyên tắc thiết kế mới: AI không chỉ tìm ra vật liệu mà còn có thể giúp các nhà hóa học hiểu được mối quan hệ giữa cấu trúc và tính chất của vật liệu. Điều này có thể dẫn đến việc khám phá các nguyên tắc thiết kế vật liệu mới, mở đường cho việc tạo ra các vật liệu tùy chỉnh cho các ứng dụng cụ thể trong tương lai.
3. Thúc đẩy hóa học vật liệu
Phát triển vật liệu chức năng chuyên biệt: Khám phá này chứng minh khả năng của AI trong việc thiết kế các vật liệu có chức năng chuyên biệt cao, như vật liệu hấp phụ chọn lọc I-ốt. Điều này mở ra kỷ nguyên mới cho việc tạo ra các vật liệu thông minh, vật liệu nano, hoặc vật liệu composite với các đặc tính vượt trội cho nhiều ngành khác.
Tối ưu hóa quy trình tổng hợp: AI không chỉ giúp tìm ra vật liệu mà còn có thể hỗ trợ tối ưu hóa các điều kiện tổng hợp để sản xuất vật liệu đó một cách hiệu quả, an toàn và bền vững hơn.
4. Tác động đến hóa học môi trường và an toàn hạt nhân
Giải pháp cho thách thức chất thải hạt nhân: Iốt phóng xạ (I-129) là một sản phẩm phân hạch hạt nhân có thời gian bán rã cực kỳ dài (khoảng 15,7 triệu năm) và dễ bay hơi, gây ra mối đe dọa nghiêm trọng cho môi trường và sức khỏe con người. Việc tìm ra vật liệu có khả năng loại bỏ iốt hiệu quả là cực kỳ quan trọng cho việc xử lý an toàn chất thải phóng xạ và khắc phục hậu quả sự cố hạt nhân.
Phát triển các vật liệu làm sạch môi trường khác: Thành công này có thể là tiền đề để AI được ứng dụng trong việc tìm kiếm các vật liệu mới để loại bỏ các chất ô nhiễm khác (kim loại nặng, thuốc trừ sâu, khí nhà kính) từ nước, đất và không khí, góp phần giải quyết các vấn đề môi trường toàn cầu.
