პლასტმასით გარემოს დაბინძურება დღესდღეობით ერთ-ერთი ყველაზე მნიშვნელოვანი გამოწვევაა. ასეთი მასალის უფრო ეკომეგობრული ალტერნატივები უკვე ხელმისაწვდომია, მაგრამ ნარჩენების შემცირება პლასტიკური მატერიის სიმტკიცის მომატებითაცაა შესაძლებელი.

სწორედ ეს მოახერხეს მასაჩუსეტსის ტექნოლოგიური ინსტიტუტისა და დიუკის უნივერსიტეტის მეცნიერებმა ქართველი სპეციალისტის, ილია კევლიშვილის, ხელმძღვანელობით. იგი ბეილორის უნივერსიტეტის ქიმიისა და ბიოქიმიის დეპარტამენტში მომუშავე ასისტენტ-პროფესორია, რომელმაც თავის გუნდთან ერთად პოლიმერული მასალის გამძლეობის გაზრდის ახალ გზას მიაგნო.

მექანოფორები

მიზნის მიღწევაში მათ ხელოვნური ინტელექტი დაეხმარა, რომლის მეშვეობითაც სიმტკიცის მომატებაზე პასუხისმგებელი, პოლიმერების დამაკავშირებელი მოლეკულები გამოავლინეს. ისინი პლასტიკურ მატერიას უფრო დიდი ზეწოლის გაძლების შესაძლებლობას აძლევს, სანამ დაზიანდება. მათ მექანოფორები ეწოდება — ესაა მოლეკულების ტიპი, რომელიც მექანიკური გავლენის საპასუხოდ ფორმას, ფერს, სტრუქტურასა და სხვა მახასიათებლებს იცვლის.

"როგორც წესი, მატერიის ერთი თვისების შეცვლისას (მაგალითად, გამძლეობის) სხვა თვისებებიც იცვლება, რაც მის ოპტიმიზაციას ართულებს. ამ კვლევაში მატერიის ოთხჯერ გაძლიერება შევძელით ისე, რომ სხვა თვისებები არ შეცვლილა. ეს მექანოფორების გამოყენებით გახდა შესაძლებელი — მოლეკულების (ფუნქციური ჯგუფების), რომლებიც ფიზიკური ძალის დატანისას ქიმიურ რეაქციაში სელექციურად შედის", — თქვა ილია კევლიშვილმა NEXT.On.ge-სთვის მოცემულ კომენტარში.

ავტორები 2023 წლის კვლევას დაეყრდნნენ, რომლის ფარგლებშიც აღმოაჩინეს, რომ პოლიმერულ ქსელში სუსტი დამაკავშირებელი მოლეკულების ინტეგრირებით მატერია უფრო მტკიცე ხდებოდა. კერძოდ, როდესაც ამგვარი მასალა უკიდურესად იწელება, ნაპრალები უფრო ძლიერ კავშირებს უვლის გვერდს და სუსტის გავლით ჩნდება. ეს ნიშნავს, რომ ნაპრალს უფრო მეტი ჯაჭვის გარღვევა უწევს, ვიდრე იმ შემთხვევაში, ყველა ჯაჭვი ერთი სიძლიერის რომ იყოს.

ამის შემდეგ მკვლევრებმა მიზნად სუსტი კავშირების ფუნქციის მქონე მექანოფორების იდენტიფიცირება დაისახეს. უამრავ შესაძლო კანდიდატს შორის ყველაზე დიდი პოტენციალის მქონე მოლეკულების მიგნება მათთვის ნამდვილი გამოწვევა იყო, თუმცა ილიასა და მისი კოლეგების საერთო ძალისხმევით ეს შეძლეს.

"განსაკუთრებით ხაზგასასმელია ის, რომ მოლეკულური დონის კინეტიკიდან გამომდინარე მატერიის მაკრო თვისებების ცვლილება მოვახერხეთ. შესაბამისად, მსგავსი მექანიზმის გამოყენება სხვადასხვა პრობლემის მოსაგვარებლადაა შესაძლებელი. ასეთია, მაგალითად, ჰეტეროგენული კატალიზი და სამედიცინო მოლეკულების ტრანსპორტირება. იმის მიუხედავად, რომ კვლევის მთავარი მიზანი პლასტმასის გაძლიერება იყო, თვითონ მიდგომა სხვა სფეროებშიც მარტივად დანერგვადია", — გვითხრა ილიამ.

როცა საქმეში ხელოვნური ინტელექტი ერთვება

ქართველი მეცნიერის გუნდის მიერ მიკვლეული დამაკავშირებელი მოლეკულები რკინის შემცველი ორგანომეტალური ნაერთებია, სახელად ფეროცენები. მათში რკინის ატომი ნახშირბადის შემცველ "რგოლებს" შორისაა მოქცეული. ამ უკანასკნელში სხვადასხვა ქიმიური ჯგუფის დამატებაა შესაძლებელი, რაც მათ ქიმიურ და მექანიკურ მახასიათებლებს ცვლის.

აქამდე ისინი მექანოფორული პოტენციალის მხრივ ფართოდ შესწავლილი არ ყოფილა, რადგან უფრო მეტად ფარმაცევტული და კატალიზური ფუნქციითაა ცნობილი. თითოეული ასეთი მოლეკულის ექსპერიმენტულად შეფასებას კვირები სჭირდება, ამიტომ პროცესის დასაჩქარებლად მანქანური დასწავლის მოდელი გამოიყენეს.

"მანქანური დასწავლა მილიონობით ნაერთის დაჩქარებული გზით გაანალიზებას ხდის შესაძლებელს. განსაკუთრებით აღსანიშნავია, რომ ამ მეთოდის მეშვეობით ისეთი ნაერთები ვიპოვეთ, რომლებიც რეაქციის დაჩქარებას მოულოდნელი მექანიზმით — გარდამავალი ფაზის სტაბილიზაციით — უზრუნველყოფს. ამ ტიპის მექანოფორები სამეცნიერო ლიტერატურაში არაა ცნობილი და, შესაბამისად, მათი აღმოჩენა ტრადიციული, ჰიპოთეზით მართული კვლევის მეთოდებით ძალიან რთული იქნებოდა", — განაცხადა ქართველმა ქიმიკოსმა NEXT.On.ge-სთან.

გუნდმა კემბრიჯის სტრუქტურული ბაზა გამოიყენა, რომელიც უკვე სინთეზირებული 5000-მდე სხვადასხვა ფეროცენის შესახებ ინფორმაციას მოიცავს. ილია ამბობს, რომ ამგვარად სინთეზირებაზე დამატებითი კვლევა აღარ დასჭირდათ და ქიმიურად მრავალფეროვანი მონაცემები გააანალიზეს.

პირველ ჯერზე მათ დაახლოებით 400 ნაერთის კომპიუტერული სიმულაცია შექმნეს და გამოთვალეს, რა ძალა იქნებოდა საჭირო თითოეულ მოლეკულაში ატომების გასაცალკევებლად. მიზანი ისეთი მოლეკულების პოვნა იყო, რომლებიც ნაკლებ დროში იშლება — ისეთის, რომლებიც პოლიმერულ მატერიას სუსტი კავშირებით უფრო მტკიცეს გახდიდა. მანქანური დასწავლის მოდელი სწორედ ამ მონაცემებზე გაწვრთნეს. იგი დარჩენილ 4500 და დამატებით 7000 ნაერთზე გამოცადეს, რომლებიც კემბრიჯის ბაზისას ჰგავს, მაგრამ ატომური განლაგებით განსხვავდება.

შედეგად აღმოაჩინეს ორი მთავარი მახასიათებელი, რომლებიც ნაპრალების გაჩენის მიმართ გამძლეობის შანსებს ზრდის. მათგან ერთი ფეროცენულ "რგოლებზე" მიმაგრებულ ქიმიურ ჯგუფებს შორის ურთიერთქმედებაა, მეორე კი — "რგოლებს" შეკავშირებული დიდი მოლეკულები, რომლებიც ზეწოლისას უფრო ადვილად იშლება. ავტორები ამბობენ, რომ ხელოვნური ინტელექტის გარეშე მეორე ფაქტორის აღმოჩენა გაუჭირდებოდათ.

მტკიცე პლასტმასა

საბოლოოდ, მეცნიერებმა 100 საიმედო კანდიდატის იდენტიფიცირება შეძლეს. შემდეგ მათ ერთ-ერთი მათგანის, სახელად m-TMS-Fc-ს, გამოყენებით პოლიმერული მატერიის სინთეზირება მოახერხეს. ის პოლიმერის ჯაჭვებს ერთმანეთთან აკავშირებს პოლიაკრილატებში, რომლებიც პლასტმასის ერთ-ერთ ტიპს მიეკუთვნება.

თითოეულ პოლიმერზე ზეწოლის გზით მეცნიერებმა დაადგინეს, რომ სუსტი m-TMS-Fc უფრო ძლიერ და ნაპრალების მიმართ გამძლე მასალას ქმნიდა. იგი სტანდარტულ ფეროცენებთან შედარებით დაახლოებით ოთხჯერ მტკიცე აღმოჩნდა

"პლასტიკური მასალა ჩვენი დღევანდელი ცხოვრების განუყოფელი ნაწილია. ამას მათი სიმტკიცე, სიმსუბუქე და სიიაფე განაპირობებს, თუმცა სწორედ ამ თვისებების გამო პლასტმასის ნარჩენების კრიზისის წინაშე ვართ. იმისათვის, რომ გარემოზე პლასტმასის გავლენა შევამსუბუქოთ, მრავალმხრივი მიდგომაა საჭირო. ეს გულისხმობს მის მისაღებად უფრო ეკომეგობრულ მეთოდებს, უკეთეს გადამუშავებასა და წარმოების შემცირებას.

წარმოების შემცირების ერთ-ერთი საშუალება ამ მასალების სიცოცხლისუნარიანობის გახანგრძლივებაა. მაგალითად, თუ საბურავი 10-ჯერ უფრო გამძლე იქნება, მაშინ მისი გამოცვლა გაცილებით იშვიათად დაგვჭირდებოდა და ძველი საბურავიც ნაკლები სიხშირით მოხვდებოდა ნაგავსაყრელზე. ამისთვის მატერიის გამძლეობა უნდა გაიზარდოს", — გვითხრა ილია კევლიშვილმა.

მკვლევრები იმედოვნებენ, რომ მანქანური დასწავლის მეთოდით მექანოფორების სხვა სასურველ თვისებებსაც აღმოაჩენენ: ასეთია ფერის შეცვლა ან ზეწოლის საპასუხოდ კატალიზურად გააქტიურება. მსგავსი მასალის გამოყენება სხვადასხვა სფეროშია შესაძლებელი, მაგალითად, ბიომედიცინაში.

ქართველი ქიმიკოსის ხელმძღვანელობით ნაშრომი გამოცემაში ACS Central Science გამოქვეყნდა.