آیا مهندسی می تواند مشکل شیمیایی را برای همیشه حل کند؟

ویرایش شده توسط لیزا لاک، بررسی توسط اندرو زینین

این مقاله با توجه به روند و سیاست های ویرایشی Science X بررسی شده است. ویراستاران ضمن اطمینان از اعتبار محتوا، ویژگی های زیر را برجسته کرده اند:

در میان پرس و جوهای فنی دربرگیرنده موضوعاتی مانند پلیمرهای سیکلودکسترین و طیف سنجی جرمی که در صندوق ورودی دامیان هلبلینگ انباشته شده بودند، سؤالی در مورد چهار رتریور طلایی بود.

یک زن محلی با هلبلینگ، استاد دانشکده مهندسی عمران و محیط زیست کرنل و محقق برجسته مواد شیمیایی آلی در آب تماس گرفته بود و می خواست بداند آیا شنا کردن سگ هایش در حوضچه ای نزدیک است یا خیر.

هلبلینگ گفت: «من همچنین یک گلدن رتریور دارم که عاشق شنا است و کاملا با این سؤال همدردی می‌کنم، اما وقتی مردم از من سؤالات خاصی در مورد ایمنی آبشان می‌پرسند دریغ از پاسخ دقیق.

برای هلبلینگ، سوال فقط این نیست که آیا یک برکه ایمن است یا خیر. این چیزی است که علم می تواند برای درک بهتر مسئله انجام دهد، و مهندسی می تواند برای حل آن انجام دهد.

تعداد کمی از آلاینده ها این چالش را بهتر از PFAS یا مواد پر و پلی فلوروآلکیل، که معمولا به عنوان "مواد شیمیایی برای همیشه" شناخته می شوند، نشان می دهند. خانواده مواد شیمیایی مصنوعی شامل هزاران – و بر اساس برخی تعاریف، میلیون‌ها – ترکیبی است که در محصولاتی از ظروف نچسب و فوم‌های آتش نشانی گرفته تا دستگاه‌های پزشکی و بسته‌بندی مواد غذایی استفاده می‌شود. مشخصه بارز آن‌ها پیوند فوق‌العاده قوی بین اتم‌های کربن و فلوئور است که باعث دوام فوق‌العاده آن‌ها می‌شود، اما شکستن آن‌ها در محیط بسیار دشوار است.

این تداوم باعث شده است که PFAS به یک نگرانی رو به رشد برای سلامت عمومی تبدیل شود، با مطالعات نشان می دهد که قرار گرفتن در معرض برخی از PFAS ممکن است با انواع اثرات مضر سلامتی مرتبط باشد. از آنجایی که سیاست گذاران استانداردهای آب آشامیدنی و نظارت بر تخلیه PFAS صنعتی را مورد بازنگری قرار می دهند، مهندسان محیط زیست مانند Helbling برای درک بهتر، شناسایی و حذف مواد شیمیایی از منابع آب رقابت می کنند.

تولید صنعتی PFAS در دهه 1940 شروع به افزایش کرد و تا امروز ادامه دارد. به گفته آژانس حفاظت از محیط زیست ایالات متحده، در نتیجه، "مواد شیمیایی برای همیشه" تقریبا در همه جا یافت می شود - در آب، هوا، خاک و حتی در خون انسان ها و حیوانات در سراسر جهان.

هلبلینگ گفت یکی از بهترین راه‌ها برای حل این مشکل، محدود کردن تولید و استفاده از PFAS در وهله اول است. او و گروه تحقیقاتی‌اش از طریق «راه‌حل‌های سریع‌تر برای مواد شیمیایی برای همیشه»، پروژه‌ای تحت رهبری IBM که در حال توسعه ابزارهای محاسباتی برای کمک به تولیدکنندگان برای شناسایی PFAS در زنجیره تأمین خود و جایگزینی آنها با جایگزین‌های ایمن‌تر است، به پیشبرد این تلاش کمک می‌کنند.

هلبلینگ گفت: «شرکت‌ها لزوما نمی‌دانند کجا یا چگونه از PFAS در فرآیندهای تولید استفاده می‌کنند. "آنها فقط می دانند که محصولی وجود دارد که می توانند از برخی تامین کنندگان خریداری کنند که به آنها کمک می کند ویجت خود را سریعتر یا بهتر یا انعطاف پذیرتر کنند. ما در تلاش هستیم به شرکت ها کمک کنیم PFAS را در زنجیره تامین خود ردیابی کنند و مواد شیمیایی جدیدی را کشف کنند که می توانند همان مزایا را ارائه دهند در حالی که در محیط کمتر ماندگار هستند و سمیت کمتری دارند."

گفتن این چالش آسان تر از انجام آن است. PFAS به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرد زیرا می تواند در برابر گرما مقاومت کند، آب را دفع کند و در شرایط سخت تولید مقاومت کند، از جمله خواص دیگر. جایگزینی آنها مستلزم درک دقیق اینکه چه چیزی هر PFAS را برای یک برنامه خاص مفید می کند قبل از طراحی یک مولکول جدید که همان مزیت را ارائه می دهد، نیاز دارد.

پروژه "راه حل های سریع تر برای مواد شیمیایی برای همیشه" به جای سنتز و آزمایش هزاران جایگزین بالقوه در آزمایشگاه، از تخصص IBM در زمینه هوش مصنوعی برای غربالگری مولکول های کاندید استفاده می کند و پیش بینی می کند که کدام نامزدها به احتمال زیاد عملکرد مطلوب را ارائه می دهند و کمترین تأثیر را بر محیط زیست دارند.

این تیم همچنین می‌خواهد از «جایگزینی‌های تاسف‌آور» که یک ماده شیمیایی مضر را با دیگری جایگزین می‌کند، اجتناب کند.

"به همین دلیل است که ما از هوش مصنوعی برای پاسخ به سوالاتی مانند: آیا این مولکول جایگزین در محیط پایدار خواهد بود؟ آیا در موجودات انباشته می شود؟ آیا تهدیدی برای سلامت عمومی خواهد بود؟" هلبلینگ گفت. حذف مواد شیمیایی خطرناک از فرآیندهای تولید یک شبه واقع بینانه نیست، اما درک مکان یا نحوه استفاده از آنها و دنبال کردن جایگزین های امن تر ضروری است.

اما چه اتفاقی برای PFAS می افتد که هنوز قابل تعویض نیست؟

هنگامی که جایگزین های امن تر هنوز ممکن نیست، مشکل تغییر می کند. دیگر نحوه حذف PFAS از فرآیندهای تولید نیست. نحوه گرفتن و نابود کردن آنها قبل از ورود به محیط است.

برای انجام این کار، Helbling دهه گذشته را صرف طراحی مواد پلیمری تخصصی کرده است که به طور انتخابی PFAS را از آب جذب می کند. او آنها را به عنوان نانواسفنج های مولکولی توصیف می کند.

هلبلینگ گفت: «تصور کنید یک اسفنج کوچک را در یک لیوان آب آلوده بیندازید. اسفنج به جای خیس کردن خود آب، به طور انتخابی مولکول های PFAS را جذب می کند. اسفنج را بردارید و آب تمیزتر می شود. این ایده ای است که انگیزه این کار را ایجاد می کند.

در پس آن قیاس ساده، شیمی پیچیده ای نهفته است. پلیمرها حاوی گیرنده های مولکولی هستند که برای تشخیص ویژگی های منحصر به فرد ترکیبات فلوئوردار مهندسی شده اند. از آنجا که صنایع مختلف از انواع مختلف PFAS استفاده می کنند، مواد نیز باید قابل تنظیم باشند.

Helbling فرآیند ساخت یک مولکول را با مجموعه ای از لگوها مقایسه می کند.

هلبلینگ گفت: «ما یاد گرفته‌ایم که چگونه گروه‌های عملکردی خاصی را از پلیمرها حذف کنیم و گروه‌های جدیدی را برای استفاده از این مواد برای کاربردهای خاص قرار دهیم. ما می‌توانیم به یک PFAS جدید نگاه کنیم و بگوییم، شرط می‌بندم که برای این شرایط به مجموعه لگو نیاز داریم که به این شکل باشد.»

این فناوری از یک همکاری طولانی مدت با شیمیدان پلیمر ویل دیچتل، سابقا از کرنل و اکنون در دانشگاه نورث وسترن رشد کرد. Helbling و Dichtel اکنون در حال تجاری سازی این فناوری از طریق یک شرکت نوپا و مشارکت با سایر سهامداران هستند.

هنگامی که در داخل نانو اسفنج ها متمرکز شدند، مواد شیمیایی را می توان با استفاده از روش های نوظهور تصفیه شیمیایی از بین برد. هلبلینگ گفت که این رویکرد بسیار کاربردی تر از تلاش برای از بین بردن PFAS پراکنده در میلیون ها گالن آب است.

البته، قبل از حذف PFAS، ابتدا باید آنها را پیدا کرد. در حالی که اکثر محققان بر تعداد نسبتا کمی از ترکیبات به خوبی مطالعه شده تمرکز می کنند، بسیاری از PFAS های دیگر هرگز به طور کامل مشخص نشده اند - و در برخی موارد، دانشمندان حتی از وجود آنها اطلاعی ندارند.

هر رمز و راز با یک سرنخ شروع می شود. برای هلبلینگ، اولین سرنخ برای کشف یک PFAS پنهان اغلب به عنوان یک سیگنال غیرقابل توضیح در داخل یک اکتساب از طیف‌سنج جرمی با وضوح بالا ظاهر می‌شود. آزمایشگاه او از این فناوری برای تجزیه و تحلیل نمونه‌های آب استفاده می‌کند بدون اینکه از قبل بداند چه مواد شیمیایی دارند. داده های به دست آمده به اثر انگشت مولکولی همه چیز در نمونه تبدیل می شود. از آنجا، تیم Helbling از ابزارهای محاسباتی برای جستجوی الگوهای ظریفی استفاده می کند که به PFAS قبلا ناشناس اشاره می کند.

هلبلینگ گفت: «این یک فناوری واقعا ارزشمند است، به خصوص زمانی که شما صنایع جدیدی دارید که به این مشکل فکر می کنند و نگران PFAS در فاضلاب خود هستند. ما به صنایع کمک کرده‌ایم که PFAS شناخته شده را در انتشار فاضلاب‌هایشان کمیت کنند و همچنین به آنها کمک کرده‌ایم PFAS عجیب‌وغریب و ناشناخته‌تری را کشف کنند که منحصر به صنعت یا حتی شرکتشان است.»

این کار به‌ویژه برای صنعت نیمه‌رساناها ارزشمند است، جایی که تولیدکنندگان اغلب از شیمی‌های فلوئوردار اختصاصی استفاده می‌کنند که در فهرست‌های نظارت استاندارد گنجانده نشده‌اند. آزمایشگاه Helbling از طریق همکاری با صنعت و مرکز علوم و فناوری نانو مقیاس کورنل، PFAS را مشخص کرده است که به طور منحصر به فردی با فرآیندهای تولید نیمه هادی مانند فوتولیتوگرافی و اچ پلاسما مرتبط است.

تحقیقات آنها از جمله اولین تحقیقاتی بود که این ترکیبات را در فاضلاب نیمه هادی شناسایی کرد و این کار منجر به انتخاب Helbling به عنوان دریافت کننده جایزه آینده پایدار در سال 2023 از سوی شرکت تحقیقاتی نیمه هادی شد.

در حالی که تولید نیمه هادی منبع اصلی آلودگی PFAS در نظر گرفته نمی شود، این تحقیق به تولیدکنندگان کمک می کند فرصت هایی را برای توسعه جایگزین های امن تر در زمانی که ایالات متحده به شدت در حال گسترش تولید تراشه های داخلی است، شناسایی کنند.

هلبلینگ گفت که این کار نشان می دهد که چگونه مهندسی محیط زیست برای کمک به رشد مسئولانه صنایع فناوری حیاتی شده است.

هلبلینگ گفت: «صنعت فناوری از نگرانی‌ها و مقررات در حال ظهور در مورد مواد شیمیایی کم نظیر PFAS در انتشار آنها آگاه است. شرکای صنعت من به من می گویند که به مهندسان محیط زیست نیاز دارند تا به آنها کمک کنند تا به روشی مسئولانه نوآوری کنند. اگر یک دانشجوی کرنل می خواهد در صنعت فناوری باشد اما اشتیاق او در حفاظت از اکوسیستم های شکننده یا سلامت عمومی است، مهندسی محیط زیست مطلقا راهی برای انجام هر دو است.

اگر PFAS آینده ای داشته باشد، هلبلینگ می خواهد هوش مصنوعی آن را پیش بینی کند.

هوش مصنوعی به یکی از قدرتمندترین ابزارهای تحقیقاتی آزمایشگاه او تبدیل شده است که به پیش‌بینی چگونگی تبدیل، سفر و انباشته شدن مواد شیمیایی برای همیشه قبل از اینکه این فرآیندها در دنیای واقعی اتفاق بیفتد، کمک می‌کند. با تجزیه و تحلیل دهه‌ها ادبیات علمی، مدل‌های یادگیری ماشینی می‌توانند پیش‌بینی کنند که PFAS تازه طراحی‌شده پس از ورود به محیط چگونه رفتار می‌کند.

هلبلینگ گفت: "تعداد بی شماری از PFAS وجود دارد که ممکن است در محیط زیست وجود داشته باشد، و بسیاری از آنها در طول زمان از طریق فرآیندهای طبیعی زیست محیطی تبدیل می شوند تا به تعداد نسبتا کمی PFAS تبدیل شوند که آژانس حفاظت از محیط زیست بر تنظیم آنها متمرکز است." ما ابزارهایی را برای پیش‌بینی این دگرگونی‌ها توسعه داده‌ایم تا پیش‌بینی کنیم که چگونه ترکیب شیمیایی یک سایت آلوده ممکن است طی سال‌ها یا دهه‌ها تکامل یابد.»

پروژه دیگری از هوش مصنوعی برای پاسخ به یک سوال متفاوت استفاده می کند: به هر حال این PFAS متعلق به چه کسی است؟

این تحقیق به بررسی اثر انگشت های شیمیایی برجای مانده از منابع مختلف از جمله فوم های آتش نشانی، محل های دفن زباله، تصفیه خانه های فاضلاب و تاسیسات صنعتی می پردازد. پس از آموزش بر روی نمونه‌های مشخص‌شده، مدل‌های یادگیری ماشین می‌توانند محل منشأ آلودگی را پیش‌بینی کنند.

هلبلینگ گفت: «این اطلاعات می‌تواند به صنایع و تنظیم‌کننده‌ها در اولویت‌بندی تلاش‌های پاکسازی و شناسایی منابع مسئول کمک کند. "و این روش ها قابل انتقال هستند. آنها برای بسیاری از مشکلات زیست محیطی فراتر از PFAS قابل استفاده هستند."

این آزمایشگاه همچنین از یادگیری ماشینی برای پروژه FLX PFAS استفاده می‌کند که توسط هلبلینگ و دانش‌آموزانش برای جمع‌آوری و تجزیه و تحلیل نمونه‌های آب در سراسر منطقه دریاچه‌های انگشتی نیویورک تأسیس شد. سپس نتایج به صورت آنلاین با عموم به اشتراک گذاشته می شود. با افزایش مجموعه داده های پروژه، هلبلینگ امیدوار است که محققان به زودی بتوانند احتمال وجود PFAS در هر گونه آبی در منطقه دریاچه های انگشتی را پیش بینی کنند.

Helbling می داند که مردم یقین می خواهند. آنها می خواهند بدانند که آیا آب سالم است، آیا خانواده آنها در معرض خطر هستند و گاهی اوقات، آیا سگ هایشان می توانند برای شنا بروند یا خیر. علم همیشه نمی تواند پاسخ های ساده ای به مردم بدهد. مهندسی محیط زیست، با این حال، نوید راه حل های بهتر را ارائه می دهد.

لیسانس تاریخ هنر، کارشناسی ارشد فرهنگ مادی. سردبیر سابق موزه، پیراپزشک و هماهنگ کننده پیوند. ویرایش برای Science X از سال 2021. نمایه کامل →

فوق لیسانس فیزیک با تجربه تحقیق. علاقه مندان به اخبار علمی طولانی مدت. نقش کلیدی در موفقیت سرمقاله Science X ایفا می کند. نمایه کامل →