Banyak aktivitas manusia yang melepaskan polutan ke udara, air, dan tanah. Zat kimia berbahaya ini mengancam kesehatan manusia dan ekosistem. Menurut Organisasi Kesehatan Dunia, polusi udara menyebabkan sekitar 4,2 juta kematian setiap tahunnya.
Para ilmuwan tengah mencari solusi, dan salah satu jalan keluar yang potensial adalah kelas material yang disebut fotokatalis. Saat dipicu oleh cahaya, material ini mengalami reaksi kimia yang menurut penelitian awal dapat memecah polutan beracun yang umum.
Saya seorang peneliti sains dan rekayasa material di University of Tennessee. Dengan bantuan robot dan kecerdasan buatan, saya dan rekan-rekan membuat dan menguji fotokatalis baru dengan tujuan mengurangi polusi udara.
Menguraikan polutan
Fotokatalis bekerja dengan menghasilkan pembawa muatan di hadapan cahaya. Pembawa muatan ini adalah partikel kecil yang dapat bergerak dan menyebabkan reaksi kimia. Ketika bersentuhan dengan air dan oksigen di lingkungan, mereka menghasilkan zat yang disebut spesies oksigen reaktif. Spesies oksigen reaktif yang sangat aktif ini dapat mengikat bagian-bagian polutan dan kemudian menguraikan polutan atau mengubahnya menjadi produk yang tidak berbahaya — atau bahkan bermanfaat.
Namun, beberapa bahan yang digunakan dalam proses fotokatalitik memiliki keterbatasan. Misalnya, bahan tersebut tidak dapat memulai reaksi kecuali cahaya memiliki cukup energi — sinar inframerah dengan energi cahaya yang lebih rendah, atau cahaya tampak, tidak akan memicu reaksi.
Masalah lainnya adalah partikel bermuatan yang terlibat dalam reaksi dapat bergabung kembali terlalu cepat, yang berarti mereka bergabung kembali sebelum menyelesaikan tugasnya. Dalam kasus ini, polutan tidak terurai sepenuhnya, atau prosesnya memakan waktu lama untuk diselesaikan.
Selain itu, permukaan fotokatalis ini terkadang dapat berubah selama atau setelah reaksi fotokatalitik, yang memengaruhi cara kerja dan efisiensinya.
Untuk mengatasi keterbatasan ini, para ilmuwan di tim saya mencoba mengembangkan bahan fotokatalitik baru yang bekerja secara efisien untuk memecah polutan. Kami juga fokus untuk memastikan bahan-bahan ini tidak beracun sehingga bahan pembersih polusi kami tidak menyebabkan polusi lebih lanjut.
Kristal kecil mungil
Para ilmuwan di tim saya menggunakan eksperimen otomatis dan kecerdasan buatan untuk mencari tahu bahan fotokatalitik mana yang bisa menjadi kandidat terbaik untuk mengurai polutan dengan cepat. Kami membuat dan menguji bahan yang disebut perovskit hibrida, yang merupakan kristal kecil — ketebalannya sekitar sepersepuluh helai rambut.
Nanokristal ini terbuat dari campuran komponen organik (berbasis karbon) dan anorganik (non-karbon).
Mereka memiliki beberapa kualitas unik, seperti sifat penyerap cahaya yang sangat baik, yang berasal dari strukturnya di tingkat atom. Mereka kecil tetapi kuat. Secara optik, mereka juga menakjubkan – mereka berinteraksi dengan cahaya dengan cara yang menarik untuk menghasilkan sejumlah besar pembawa muatan kecil dan memicu reaksi fotokatalitik.
Bahan-bahan ini secara efisien mengangkut muatan listrik, yang memungkinkannya mengangkut energi cahaya dan menggerakkan reaksi kimia. Bahan-bahan ini juga digunakan untuk membuat panel surya lebih efisien dan dalam lampu LED, yang menghasilkan tampilan cemerlang seperti yang Anda lihat di layar TV.
Ada ribuan jenis nanokristal hibrida yang potensial. Jadi, tim saya ingin mencari tahu cara membuat dan menguji sebanyak mungkin dengan cepat untuk melihat mana yang merupakan kandidat terbaik untuk membersihkan polutan beracun.
Membawa robot
Alih-alih membuat dan menguji sampel secara manual — yang memakan waktu berminggu-minggu atau berbulan-bulan — kami menggunakan robot pintar, yang dapat memproduksi dan menguji sedikitnya 100 bahan berbeda dalam waktu satu jam. Robot penanganan cairan kecil ini dapat memindahkan, mencampur, dan memindahkan sejumlah kecil cairan dari satu tempat ke tempat lain dengan tepat. Robot ini dikendalikan oleh komputer yang memandu percepatan dan keakuratannya.
Kami juga menggunakan pembelajaran mesin untuk memandu proses ini. Algoritme pembelajaran mesin dapat menganalisis data uji dengan cepat dan kemudian belajar dari data tersebut untuk rangkaian eksperimen berikutnya yang dijalankan oleh robot. Algoritme pembelajaran mesin ini dapat dengan cepat mengidentifikasi pola dan wawasan dalam data yang dikumpulkan yang biasanya memerlukan waktu lebih lama untuk ditangkap oleh mata manusia.
Pendekatan kami bertujuan untuk menyederhanakan dan lebih memahami sistem fotokatalitik yang kompleks, membantu menciptakan strategi dan material baru. Dengan menggunakan eksperimen otomatis yang dipandu oleh pembelajaran mesin, kini kami dapat membuat sistem ini lebih mudah dianalisis dan diinterpretasikan, mengatasi tantangan yang sulit diatasi dengan metode tradisional.
Artikel ini awalnya diterbitkan di The Conversation oleh Mahshid Ahmadi di University of Tennessee. Baca artikel aslinya di sini.