Искусственный интеллект в высшем образовании — Ивар ft. Ульяна Раведовская — все самое интересное на ПостНауке
![]()
![]()
Еще одна важная область, где катализ играет ключевую роль, — переработка нефти. Производство начинается с сырой нефти, состоящей из различных углеводородов, которые необходимо разделить методом фракционной перегонки для создания пригодных продуктов. Процесс переработки полностью зависит от катализа: без него невозможно было бы не только само разделение, но и производство пластмасс, топлива, сельскохозяйственных удобрений и пестицидов, бытовой химии (например, мыла и моющих средств), синтетических волокон для одежды и множества других продуктов [2]. Без способности ускорять химические реакции наш мир выглядел бы совершенно иначе. В области катализа все еще остается значительный потенциал для улучшений. Даже при наличии существующих катализаторов промышленность постоянно требует более эффективных альтернатив. Среди ключевых требований к новым катализаторам выделяют: • Активность — возможность протекания реакции с меньшими затратами энергии. • Селективность — образование только нужного соединения без побочных продуктов. • Стабильность — сохранение свойств катализатора в ходе реакции. • Легкость отделения — простое извлечение катализатора из продуктов реакции. Даже улучшение одного из этих параметров всего на 1% может принести огромные экономические выгоды и сократить количество отходов, особенно учитывая масштабы промышленного производства. Разработка таких катализаторов — непростая задача. Однако благодаря развитию искусственного интеллекта и машинного обучения процесс поиска новых соединений значительно ускоряется. Это открывает путь к более экологичной и устойчивой экономике. Палладий — универсальный катализатор Палладий является одним из самых ценных материалов, используемых в катализе. Этот металл играет ключевую роль в реакциях соединения углерод-углерод и углерод-гетероатом, которые имеют решающее значение для создания сложных молекул, особенно в фармацевтической промышленности. Одним из главных преимуществ палладия является его способность работать в мягких условиях: для запуска реакции требуется меньше энергии, а процесс проходит быстрее, что делает его чрезвычайно эффективным. Кроме того, палладий обладает разными степенями окисления, что позволяет адаптировать его свойства для усиления конкретной реакции. Это качество делает палладий универсальным инструментом в химии. Высокая селективность палладия способствует созданию более экологичных и безопасных технологий, минимизируя образование побочных продуктов. Однако у палладия есть и недостаток — его высокая стоимость. Решение этой проблемы ищется в нескольких направлениях: 1. Разработка сплавов. Создание сплавов палладия с более дешевыми металлами, такими как никель, медь или серебро, может существенно снизить затраты, сохранив его высокую производительность в мягких условиях. 2. Использование гетерогенных катализаторов. Гетерогенные катализаторы легче отделяются от реакционной смеси, что позволяет перерабатывать и повторно использовать палладий. Это снижает расходы, так как катализатор можно применять многократно. Такие подходы помогают сделать использование палладия в промышленности более экономичным и устойчивым, сохраняя его ключевые преимущества. ![]()
Проблемы восприятия химии Несмотря на эти достижения, общество по-прежнему с недоверием относится к химии. Укоренившиеся предубеждения создают препятствия для развития науки. В отчете Королевского химического общества рассматривается один из мрачных сценариев: мир без химиков [4]. "Опасная" химия, связанная в массовом сознании с ядами и токсинами, отпугивает молодых людей от изучения этой науки. В результате сокращается число специалистов, что замедляет исследования и внедрение новых технологий. Но разве не было бы досадно упустить простые и изящные решения глобальных проблем, таких как продовольственный кризис или декарбонизация, только из-за страха перед наукой?
18 декабря 2024, 02:42
Экологические катастрофы, мировой продовольственный кризис, проблемы здравоохранения — все эти вызовы порой кажутся непреодолимыми. Сможем ли мы построить лучшее будущее для себя и следующих поколений? Профессор, доктор Фрэнсис Верпорт из Уханьского технологического университета убежден: химия может помочь найти наиболее эффективные и устойчивые решения наших проблем. Это станет возможным, если мы перестанем воспринимать эту науку как что-то опасное и признаем ее огромный потенциал. Химия и ее несправедливый образ
Если вы остановите прохожего на улице и спросите, что он думает о химии, скорее всего, услышите что-то негативное. Возможно, респонденты упомянут опасные эксперименты, токсичные вещества или взрывы; злодея в белом халате, создающего смертельный яд, который способен уничтожить человечество. Химия воспринимается как нечто странное, неестественное, пугающее — то, чего лучше избегать любой ценой. "Почему бы просто не пользоваться тем, что уже дала природа?" — подумают многие. Однако этот образ далек от реальности. Химия способна предложить ответы для множества современных вызовов — от экологических кризисов до проблемы голода и недоедания. Это и создание новых защитных покрытий для солнечных панелей, и разработка безопасных противораковых препаратов, и поиск альтернативных источников питания, которые сделают качественную еду доступной для большего числа людей. Когда перед нами стоит задача создать вещество с определенными заданными свойствами, решение находится именно в области химии. Эта наука изучает свойства веществ, от простых до самых сложных, и занимается разработкой новых — с четкими целями и задачами. Практически все, что нас окружает сегодня, — это плоды достижений химии: краска на стенах, пластик в мебели, синтетические волокна в одежде.
Катализ: почему так важно ускорение
Хотя разработка новых материалов и лекарств является очевидной задачей для химиков, существует менее известная, но не менее важная область химических исследований — катализ. Представьте ситуацию: мы знаем, что вещества A и B могут образовать продукт, необходимый для производства полимеров. Мы их смешиваем, но ничего не происходит. Почему? Потому что энергия активации — то есть количество энергии, необходимое для протекания реакции — слишком велика. Мы могли бы попробовать нагреть вещества, чтобы достичь энергии активации, но это дорого, небезопасно и может привести к множеству проблем, включая печально известные лабораторные взрывы, которые так часто ассоциируются с химией. Вместо этого можно использовать катализатор. Катализаторы снижают энергию активации, ускоряя реакцию и делая производство нужного химического соединения более быстрым и экономически выгодным. Около 90% всех химических продуктов на определенном этапе их производства зависят от катализа [1]. Классический пример — процесс промышленного производства аммиака. В процессе Габера–Боша азот и водород соединяются, образуя аммиак. Однако для протекания этой реакции необходим катализатор, обычно на основе железа. Даже в этом случае требуются высокие давления и температуры.
Еще одна важная область, где катализ играет ключевую роль, — переработка нефти. Производство начинается с сырой нефти, состоящей из различных углеводородов, которые необходимо разделить методом фракционной перегонки для создания пригодных продуктов. Процесс переработки полностью зависит от катализа: без него невозможно было бы не только само разделение, но и производство пластмасс, топлива, сельскохозяйственных удобрений и пестицидов, бытовой химии (например, мыла и моющих средств), синтетических волокон для одежды и множества других продуктов [2]. Без способности ускорять химические реакции наш мир выглядел бы совершенно иначе. В области катализа все еще остается значительный потенциал для улучшений. Даже при наличии существующих катализаторов промышленность постоянно требует более эффективных альтернатив. Среди ключевых требований к новым катализаторам выделяют: • Активность — возможность протекания реакции с меньшими затратами энергии. • Селективность — образование только нужного соединения без побочных продуктов. • Стабильность — сохранение свойств катализатора в ходе реакции. • Легкость отделения — простое извлечение катализатора из продуктов реакции. Даже улучшение одного из этих параметров всего на 1% может принести огромные экономические выгоды и сократить количество отходов, особенно учитывая масштабы промышленного производства. Разработка таких катализаторов — непростая задача. Однако благодаря развитию искусственного интеллекта и машинного обучения процесс поиска новых соединений значительно ускоряется. Это открывает путь к более экологичной и устойчивой экономике. Палладий — универсальный катализатор Палладий является одним из самых ценных материалов, используемых в катализе. Этот металл играет ключевую роль в реакциях соединения углерод-углерод и углерод-гетероатом, которые имеют решающее значение для создания сложных молекул, особенно в фармацевтической промышленности. Одним из главных преимуществ палладия является его способность работать в мягких условиях: для запуска реакции требуется меньше энергии, а процесс проходит быстрее, что делает его чрезвычайно эффективным. Кроме того, палладий обладает разными степенями окисления, что позволяет адаптировать его свойства для усиления конкретной реакции. Это качество делает палладий универсальным инструментом в химии. Высокая селективность палладия способствует созданию более экологичных и безопасных технологий, минимизируя образование побочных продуктов. Однако у палладия есть и недостаток — его высокая стоимость. Решение этой проблемы ищется в нескольких направлениях: 1. Разработка сплавов. Создание сплавов палладия с более дешевыми металлами, такими как никель, медь или серебро, может существенно снизить затраты, сохранив его высокую производительность в мягких условиях. 2. Использование гетерогенных катализаторов. Гетерогенные катализаторы легче отделяются от реакционной смеси, что позволяет перерабатывать и повторно использовать палладий. Это снижает расходы, так как катализатор можно применять многократно. Такие подходы помогают сделать использование палладия в промышленности более экономичным и устойчивым, сохраняя его ключевые преимущества. На пути к лучшему будущему
Химия обладает огромным потенциалом для решения самых разнообразных задач, стоящих перед человечеством. Ее возможные применения действительно безграничны. Ученые продолжают работать над оптимизацией производственных процессов и снижением затрат на существующие реакции и технологии. Однако перед прикладной химией стоят и более сложные, амбициозные задачи, связанные с будущим нашего общества. Энергетика и транспорт Одной из ключевых областей для будущих исследований остается энергетика. Современное общество потребляет все больше энергии, поэтому растет спрос на альтернативные источники, а также новые решения для транспорта. Особое внимание привлекает возобновляемая энергия из биомассы, которая предполагает получение энергии из органических материалов — от растений до твердых отходов. Медицина и здоровье Медицинская химия сосредоточена на разработке более эффективных и менее токсичных лекарств, включая противораковые препараты, антибиотики, противовирусные средства и многое другое. Особые усилия направлены на поиск решений для неизлечимых на сегодняшний день заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера и другие нейродегенеративные расстройства. Сельское хозяйство и продовольствие Безопасность продуктов питания и правильное питание — еще одна важная область применения химии. Новые удобрения и пестициды помогают преодолевать ограничения в сельскохозяйственном производстве, а инновационные методы обработки и хранения урожая снижают потери, тем самым сокращая масштабы продовольственного кризиса. Также химия способствует обогащению продуктов питания для предотвращения дефицита микроэлементов, что позволяет обеспечить более сбалансированный рацион для тех, кто ранее не имел доступа к полноценному питанию [3].
Проблемы восприятия химии Несмотря на эти достижения, общество по-прежнему с недоверием относится к химии. Укоренившиеся предубеждения создают препятствия для развития науки. В отчете Королевского химического общества рассматривается один из мрачных сценариев: мир без химиков [4]. "Опасная" химия, связанная в массовом сознании с ядами и токсинами, отпугивает молодых людей от изучения этой науки. В результате сокращается число специалистов, что замедляет исследования и внедрение новых технологий. Но разве не было бы досадно упустить простые и изящные решения глобальных проблем, таких как продовольственный кризис или декарбонизация, только из-за страха перед наукой? Список источников
- Fechete I., Wang Ye, Védrine J.C. (2012). The past, present and future of heterogeneous catalysis. Catalysis Today, 189(1): 2-27.
- Speight J.G. (2019). Handbook of Petrochemical Processes. CRC Press.
- García-Martínez J., Serrano-Torregrosa E. (2011). The Chemical Element: Chemistry's Contribution to Our Global Future. Wiley-VCH.
- Palermo A. Future of the Chemical Sciences. Royal Society of Chemistry.