VINACHEM

Áp dụng học máy trong Hóa học

Robot thông minh đã gây rất nhiều chú ý trong năm 2018. Các nhà nghiên cứu tiếp tục khảo sát những ứng dụng của học máy - một dạng trí tuệ nhân tạo được sử dụng để đưa ra dự báo hoặc quyết định thông qua những thuật toán có khả năng học hỏi từ những lượng dữ liệu lớn. Công nghệ này đã cho ra đời xe ôtô tự lái và phần mềm nhận diện hình ảnh.

Trong lĩnh vực hóa học, các nhà nghiên cứu đã biểu thị nhiều cách sử dụng học máy để khảo sát các phân tử. Tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT, Mỹ), các nhà khoa học đã xác định những phân tử vô cơ được gọi là các phức với spin đan chéo, có thể sử dụng hữu ích như các cảm biến hoặc công tắc điện tử. Các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm gia tốc quốc gia SLAC (Mỹ) đã sử dụng học máy để xác định những hợp kim mới là thủy tinh kim loại. Trong khi đó, Công ty hóa chất Symrise liên kết với Công ty máy tính IBM và áp dụng học máy để tìm kiếm những loại nước hoa mới.

Tại Viện Công nghệ California (Caltech, Mỹ), các nhà khoa học đã biểu thị cho thấy học máy có thể giúp ích cho việc lập mô hình hóa học như thế nào, học máy có thể dự báo các tính chất điện tử của phân tử với độ chính xác cao và chi phí tính toán thấp. Trong một công trình nghiên cứu liên quan, các nhà khoa học tại Đại học Tổng hợp Florida đã trình diễn một công cụ dựa trên học máy, có thể tính toán lực và năng lượng phân tử với hiệu suất cao.

Các nhà hóa học tổng hợp cũng tiến hành nhiều thí nghiệm với học máy. Tại Đại học Tổng hợp Princeton (Mỹ), các nhà hóa học đã hợp tác với Công ty dược phẩm Merck để tối ưu hóa kết quả mô phỏng phản ứng bằng cách yêu cầu thuật toán của họ thay đổi tác nhân phản ứng đang sử dụng.

Các nhà hóa học tại Đại học Tổng hợp Toronto (Canađa) đã ứng dụng học máy trong phần mềm có khả năng tiến hành thí nghiệm một cách độc lập, sau đó sử dụng kết quả để cải tiến quy trình thí nghiệm.

Nhìn chung, hiện nay phần lớn các nhà hóa học đều cho rằng học máy là công cụ hữu ích, mặc dù đôi khi có những trường hợp bị thổi phồng quá mức.

Tìm kiếm giải pháp cho vấn đề chất dẻo

Năm 2018, nhiều quốc gia đã cam kết sẽ giảm lượng phế thải chất dẻo, trong khi đó các nhà hóa học đã phát triển những loại polyme “xanh” hơn.

Phế thải chất dẻo là vấn đề đã tồn tại từ lâu. Năm 2018 thế giới tiếp tục đứng trước những núi phế thải chất dẻo ngày càng lớn. Chính phủ ở nhiều quốc gia đã tìm kiếm phương pháp cắt giảm lượng chất dẻo sử dụng và tăng cường các nỗ lực tái chế, các công ty đã đầu tư vào công nghệ tái chế một số chất dẻo.

Trung Quốc đã bắt đầu bằng việc hạn chế nhập khẩu phế thải chất dẻo chứa hơn 0,5% các chất nhiễm bẩn, ví dụ dư lượng thực phẩm hoặc kim loại. Trước đó, nhiều công ty tái chế của Mỹ và các nước khác đã vận chuyển chất dẻo có thể tái chế đến Trung Quốc với mục đích thực hiện quá trình phân loại tiêu tốn nhiều nhân công. Nhưng nay các công ty đó phải tìm kiếm các giải pháp thay thế khác.

Tháng 1/2018, ủy ban châu Âu đã công bố kế hoạch tái chế chất dẻo đầu tiên trên toàn châu Âu với mục tiêu tái chế 55% vật liệu bao bì vào năm 2030. Hiện tại, châu Âu tái chế 30% phế thải chất dẻo của mình. Tháng 5/2018, ủy ban đã đề xuất một luật mới, cấm hoặc hạn chế 10 sản phẩm chất dẻo dùng một lần. Đây là những sản phẩm thường được tìm thấy trên các bãi biển và biển của châu Âu, như dao thìa dĩa nhựa và tăm bông.

Một trong những polyme đặc biệt rắc rối là polystyren, thường được sử dụng làm vật liệu bao bì và hộp đựng thực phẩm. Hiện tại polystyren không được tái chế ở quy mô lớn do chi phí cao và nhiễm bẩn thực phẩm. Năm 2018, một số công ty lớn đã liên kết với với các công ty khởi nghiệp để tìm giải pháp tái chế polystyren có hiệu quả. Các công ty Ineos Styrolution và Agilyx đang tìm cách áp dụng phương pháp nhiệt phân để tái sinh monome styren, trong khi đó các công ty Total và Polystyvert khảo sát quá trình hòa tan polystyren trong dung môi, tái kết tinh polyme để loại bỏ các chất nhiễm bẩn.

Các nhà khoa học cũng khảo sát phương pháp giải quyết vấn đề chất dẻo nhờ các polyme có tính đổi mới. Tại Đại học Tổng hợp California (Mỹ), các nhà hóa học đã tạo ra chất dẻo nhiệt rắn, có thể được tạo lại hình dạng và tái chế - đây là tính chất mà hầu hết các chất dẻo nhiệt rắn như melamin và nhựa epoxy đều thiếu. Chất dẻo nhiệt rắn do nhóm nghiên cứu California phát triển có thể được chuyển hóa thành monome ban đầu là axit diboronic bằng cách gia nhiệt trong nước sôi.

Tạo ra khả năng tái chế cho polyme cũng là ưu tiên của nhóm nghiên cứu tại Đại học Colorado (Mỹ). Các nhà nghiên cứu tại đây đã phát triển polyme với độ bền cơ và độ bền nhiệt tương đương các chất dẻo thông thường. Polyme mới có những tính chất tương tự các loại chất dẻo thông dụng hiện nay. Nhưng khi cho polyme này chịu tác dụng nhiệt hoặc xử lý bằng hóa chất, các nhà hóa học có thể thu hồi monome của nó ở trạng thái nguyên chất, thích hợp để tái polyme hóa.

Bí mật ở quy mô phân tử của các chất xúc tác

Các chất xúc tác rắn, thường ở dạng nano, là những tác nhân hỗ trợ rất nhiều quá trình quan trọng trong công nghiệp hóa chất. Nhưng nhiều tính chất của những phản ứng như vậy vẫn chưa được biết đến, gây khó khăn cho các nhà hóa học trong việc cải thiện những quá trình đó.

Năm 2018, các nhà nghiên cứu đã thiết kế những chất xúc tác nano mới và phát hiện những chi tiết về việc những xúc tác đó thúc đẩy các phản ứng như thế nào. Những kết quả này có thể giúp giảm tiêu hao năng lượng và chi phí của các quá trình công nghiệp quy mô lớn.

Tại Viện Công nghệ Karlsruhe (Đức), một nhóm nghiên cứu đã tìm ra phương pháp sử dụng quang phổ tia X để theo dõi những thay đổi cấu trúc trong các chất xúc tác nano palađi khi chúng chuyển hóa H2 và O2 thành H2O2.

Mỗi năm, các nhà máy hóa chất trên thế giới sản xuất gần 5 triệu tấn H2O2, chủ yếu bằng quá trình nhiều công đoạn và tiêu tốn nhiều năng lượng, sử dụng nguyên liệu anthraquinon. Sản xuất H2O2 trực tiếp từ các khí hydro và oxy sẽ cho phép tiết kiệm năng lượng. Nhưng do các yếu tố nhiệt động học nên phản ứng trực tiếp từ các khí đó sẽ tạo thành nước.

Bằng cách theo dõi những thay đổi của chất xúc tác bên trong thiết bị phản ứng, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra rằng, nếu tỷ lệ H2 : O2 được giữ trong khoảng 0,5-2,0 thì H2 sẽ chuyển hóa các hạt palađi kim loại thành a-palađi hydrid - chất xúc tác tạo ra H2O2. ở tỷ lệ cao hơn, H2 sẽ chuyển hóa a-hydrid thành dạng b - đây là xúc tác tạo ra nước.

Nhóm nghiên cứu đã mở rộng quy mô của quá trình, tăng hiệu suất thu hồi H2O2 lên gấp 100 lần. Một số công ty công nghiệp lớn đã thể hiện mối quan tâm đối với sáng chế mới.

Một công trình nghiên cứu xúc tác khác trong năm 2018 do các nhà hóa học tại Đại học Kansas (Mỹ) thực hiện. Họ đã tổng hợp zeolit nhôm-silicat ZSM-5 và kết lắng các cation rhođi bên trong các lỗ vi xốp của zeolit. Chất xúc tác mới đã giúp liên kết CH4, CO và O2, tạo thành axit axetic ở nhiệt độ khoảng 150oC.

Sản lượng axit axetic trên toàn cầu đạt khoảng 14 triệu tấn/năm. Các quá trình sản xuất axit axetic hiện nay thường sử dụng metanol, nhiệt độ ở các quá trình công nghiệp lên đến 1000oC. Quá trình sản xuất axit ở nhiệt độ thấp sẽ giúp tiết kiệm đáng kể chi phí năng lượng.

Trong một nghiên cứu tiếp theo, các nhà hóa học Đại học Kansas còn phát hiện thấy rằng, xúc tác zeolit nói trên có thể liên kết etan với H2O2 để sản xuất axit axetic ở nhiệt độ chỉ khoảng 25oC.

Pin quang điện giá rẻ với hiệu suất cao kỷ lục

Hơn 20 năm nay, các nhà khoa học đã theo đuổi khả năng chuyển hóa ánh sáng Mặt Trời thành điện năng với hiệu suất cao nhờ những vật liệu không đắt tiền. Năm 2018, những tiến bộ mới trong lĩnh vực này đã đưa các thiết bị quang điện đến gần hơn mục tiêu đáp ứng nhu cầu năng lượng trên toàn cầu.

Trong vài năm qua, vật liệu quang điện petrovskit đã phát triển nhanh và thu hút sự chú ý. Nhưng hiệu suất chuyển đổi năng lượng của các dạng vật liệu quang điện giá rẻ khác như polyme hoặc vật liệu chấm lượng tử chỉ cải thiện chậm.

Tháng 6/2018, Công ty Oxford PV đã công bố vật liệu kép silic-petrovskit với hiệu quả chuyển đổi năng lượng 25,2%, cao hơn pin quang điện silic thương mại với hiệu suất 22%. Chỉ vài tuần sau, Oxford PV công bố đã phá kỷ lục của chính mình bằng vật liệu kép silic-petrovskit khác với hiệu suất 27,3%.

Trong khi đó, các nhà nghiên cứu tại Đại học Tổng hợp Nankai (Nhật Bản) đã giới thiệu pin quang điện hữu cơ với hiệu suất chuyển đổi 17,3%, vượt kỷ lục trước đó của các loại pin quang điện hữu cơ là 14%.

Pin quang điện hữu cơ được chế tạo bằng cách liên kết hai vật liệu hữu cơ, một chất cho điện tử và một chất nhận điện tử. Các nhà nghiên cứu tại Nankai đã sử dụng máy tính để tìm kiếm những vật liệu phù hợp với nhau, đặc biệt là loại vật liệu có khả năng khai thác ánh sáng cận hồng ngoại rất phong phú của Mặt Trời.

Phát hiện mối liên hệ mới giữa quần thể vi sinh vật và sức khỏe con người

Năm 2018, các nhà khoa học đã tiếp tục khám phá những liên kết phức tạp giữa sức khỏe con người và hàng nghìn chủng vi khuẩn sống bên trong cơ thể chúng ta. Những vi khuẩn này đã phát triển cùng với con người qua hàng nghìn năm và được coi là lành tính hoặc hữu ích đối với chúng ta. Nhưng các nhà nghiên cứu tại Đại học Tổng hợp Sheffield (Anh) mới đây phát hiện điều đó không phải luôn luôn đúng. Nhóm nghiên cứu phát hiện thấy dòng vi khuẩn da Micrococcus luteus hỗ trợ sự phát triển của tụ cầu vàng gây nhiễm khuẩn ở chuột.

Điểm đáng chú ý nhất là vi khuẩn M. luteus đã chết cũng hỗ trợ gây nhiễm khuẩn và giúp các vi khuẩn kháng kháng sinh sống sót.

Nhưng ngoài dòng vi khuẩn M. luteus có hại, nhiều dòng vi khuẩn khác vẫn có ích, đặc biệt là trong ruột. Nhiều nghiên cứu đã cho thấy, việc phá vỡ những quần thể vi sinh vật đó có thể có hại cho sức khỏe của chúng ta.

Một trong những tác động gây rối loạn lớn là việc sử dụng kháng sinh. Một số nghiên cứu ở người đã chứng minh, 6 tháng sau khi ngừng sử dụng kháng sinh các chủng vi khuẩn trong ruột vẫn chưa quay trở lại.

Theo các nhà khoa học, hiện nay chúng ta mới chỉ ở giai đoạn ban đầu trong việc khám phá vai trò cụ thể của vi khuẩn ở các bệnh khác nhau, nhưng điều chắc chắn là quần thể vi sinh vật không phù hợp có thể góp phần gây ra nhiều loại bệnh ở con người.

Sử dụng tinh thể học điện tử khám phá cấu trúc phân tử nhỏ

Phương pháp sử dụng điện tử thay cho tia X để xác định cấu trúc của các phân tử sinh học tưởng chừng như đã đạt đến đỉnh cao nhất vào năm 2017, khi các nhà nghiên cứu giành được Giải thưởng Nobel vì đã sáng chế kính hiển vi điện tử nghiệm lạnh. Nhưng điện tử cũng có thể được sử dụng để xác định cấu trúc của các phân tử nhỏ. Năm 2018 các nhà hóa học đã thu hút sự quan tâm rộng rãi khi biểu thị cho thấy kỹ thuật tinh thể học điện tử có thể hữu ích như thế nào.

Hai nhóm nghiên cứu đã độc lập cho thấy, họ có thể phân tích các tinh thể cực nhỏ của các hợp chất hữu cơ bằng cách làm lạnh tinh thể và cho chịu tác động của tia điện tử yếu dần. So với tia X, điện tử tương tác mạnh hơn với phân tử trong tinh thể, vì vậy các nhà khoa học chỉ cần ít nguyên liệu hơn để nhận được đủ thông tin xác định cấu trúc.

Kỹ thuật này không phải là mới, nhưng trước đây nó ít được các nhà hóa học hữu cơ quan tâm. Việc này đã thay đổi sau khi xuất hiện 2 báo cáo nghiên cứu. Giữa tháng 10/2018, một nhóm nghiên cứu tại Viện Paul Scherrer (Thụy Sĩ) và một nhóm nghiên cứu khác tại Đại học Tổng hợp California (Mỹ) đã công bố các công trình tương tự khi áp dụng kỹ thuật tinh thể học điện tử. Họ đã biểu thị cho thấy có thể áp dụng kỹ thuật này cho các tinh thể với kích thước chỉ khoảng 100 nm. Khi áp dụng phương pháp tinh thể học tia X, thường người ta cần phải sử dụng tinh thể với kích thước tối thiểu 5 mm. Do phương pháp tinh thể học điện tử có thể nghiên cứu những lượng nguyên liệu cực kỳ nhỏ như vậy, các nhà hóa học có thể sử dụng kỹ thuật này để nghiên cứu hàng chục nghìn hợp chất không tạo thành tinh thể lớn.

Các nhà hóa học hy vọng, trong tương lai gần kỹ thuật mới sẽ được đưa ra áp dụng rộng rãi trong cộng đồng các nhà nghiên cứu hóa học hữu cơ. Theo một chuyên gia trong lĩnh vực này, phát hiện trên đã mở ra một kỷ nguyên mới trong kỹ thuật xác định cấu trúc các phân tử hữu cơ nhỏ.

Phân tích bản chất hóa học của thuốc lá điện tử

Thuốc lá điện tử đang nhanh chóng trở thành trào lưu được ưa chuộng ở các thanh thiếu niên. Theo Cục Thực phẩm và dược phẩm Mỹ, lượng thuốc lá điện tử được sử dụng trong học sinh phổ thông ở Mỹ đã tăng từ 12% năm 2017 lên 21% năm 2018, mặc dù luật pháp Mỹ cấm những người dưới 18 tuổi mua loại thuốc lá này.

Đặc biệt, sản phẩm của Công ty sản xuất thuốc lá điện tử Juul đã chi phối thị trường trong năm 2018. Tuy Công ty này cho rằng sản phẩm của mình là để giúp người dân từ bỏ thói quen hút thuốc lá sợi, nhưng thuốc lá điện tử của Juul lại được người tiêu dùng trẻ tuổi rất ưa chuộng do thiết kế bí ẩn của nó và mùi thơm của các hương liệu như bạc hà, xoài,…

Nay các nhà hóa học tại Trường Đại học Portland (Mỹ) đã phát hiện một nguyên nhân khác dẫn đến thành công của thuốc lá điện tử do Công ty Juul sản xuất, đó là bản chất hóa học của nó.

áp dụng phương pháp quang phổ cộng hưởng từ hạt nhân, các nhà nghiên cứu đã đo hàm lượng hai dạng chính của nitcotin ở nhiều nhãn hiệu thuốc lá điện tử và phát hiện thấy trong thuốc lá điện tử của Juul có một trong hai dạng nicotin đó.

Các nhà nghiên cứu cho rằng sản phẩm của Juul được ưa chuộng một phần vì chúng cung cấp lượng nicotin cao theo cách có thể dễ dàng hít vào. Một khía cạnh quan trọng khác của thuốc lá điện tử là cỡ hạt sol khí rất nhỏ của nó. Những hạt nhỏ này có thể thâm nhập sâu hơn vào hệ hô hấp và được cơ thể hấp thụ dễ hơn, do đó người sử dụng có thể dễ dàng hít vào một lượng lớn nicotin trong mỗi lần hút.

Những kết quả phân tích trên cho thấy, tuy thuốc lá điện tử từng được kỳ vọng sẽ giúp cai được thuốc lá và giảm các tác hại của thuốc lá, nhưng thực tế lại đang gây nghiện cho ngày càng nhiều người trẻ.

TN

Theo Chemical & Engineering News, 12/2018