Yapay zeka (PolyID) ile sürdürülebilir polimerik gıda ambalajları

Büyük kimyagerler, karbon, hidrojen, oksijen ve nitrojeni kullanarak farklı polimer yapıları elde edebiliyorlar. Sızdırmaz gıda ambalajları, ısıya dayanıklı araba parçaları, dayanıklı kişisel koruyucu parçalar gibi listeyi çok uzatabileceğimiz sektörün ihtiyaçlarına yönelik sentez yapabilme becerisine sahiptirler.

21. yüzyılda yaşayan bir malzeme bilimcisi için en büyük zorluk, polimerlerin daha sürdürülebilir ve aynı zamanda daha performanslı halde olabilmesi için kusursuz bir yol bulmasıdır.

Ulusal Yenilenebilir Enerji Laboratuvarı (NREL) için çalışan bir bilim insanı olan Brandon Knott yaptığı araştırmadan sonra açıklamada bulunmuştur. “Petrolün büyük bir kısmı hidrokarbonlardan meydana geliyor. Aslında bir bakıma kimyasal olarak birbirine bağlanmış karbon ve hidrojen düzenlemeleri oldukça dikkat çekici ve avantajlı özelliklere sahip. Ancak hidrokarbonlar, oksijen ve nitrojen gibi heteroatomlardan yoksundur. Hidrokarbonların sağladığından daha geniş işlevselliğe ihtiyaç duyan polimerlerin imalatında bunları eklemek önemli miktarda enerji gerektirir.” dedi.

Knott iyi bir çözüm olarak ‘‘İçerik listesine oksijen ve nitrojen bakımından zengin biyokütle ve atıklar eklemektir. Kimyagerler için belirli özellikleri elde etme konusunda daha fazla esneklik elde edileceği düşünüldüğünden mısır sapları, algler ve çöpler ekstra kimyasal bağlantılar içerir.’’ dedi.

Sürdürülebilirlik ve eşsiz performans için bir NREL makine öğrenim aracı PolyID, dengeyi sağlamayı kolaylaştırıyor. Yapay zekayı kullanarak çalışan bu araç moleküler yapıya bakarak malzemenin özelliklerini tahmin edebiliyor. Bu özellik, yapılması planlanan bir uygulama için milyonlarca olasılığı olan polimer tasarım için kısa bir aday listesi düzenlemeye yarar.

Malzeme özelliklerinin moleküler yapıya bağlanması ise akıllı algoritma sayesinde oluşur. PolyID’nin arkasındaki algoritma, “grup katkısı teorisi” olarak bilinen temel amaç için son teknoloji bir üründür. Araç; hidrojen, karbon ve diğer tüm elementlerin düzenlemesine bakarak esneklik, ısı toleransı ve sızdırmazlık gibi nitelikleri tahmin eder ve malzeme özellikleri arasında ilişkiler kurmaktadır. Ayrıca polimerlerin moleküler yapıları sayesinde bilinen özelliklerinden yola çıkarak elde edilebilecek veya tasarlanabilecek yeni polimerlerin fiziksel özellikleri hakkında fikir vermektedir¹.

Nolan Wilson “Eğer algoritmayı eğitmek için bunu birkaç bin polimerle yaparsanız algoritma tarafından daha önce hiç görülmemiş ve belki de daha önce hiç bir yolla yapılmamış yapılar için gerçekten önemli bilgiler hakkında doğru tahminler almaya başlarsınız.” dedi.

Kaynak listesinde binlerce polimer bulunduran araç, bilim adamlarının yeni polimer tasarımları elde ederken geriye dönük çalışmalarına dönüp bakmaları için öncülük ediyor. Önce istenen özelliklerin verilerini girebilir ve ardından amaca uygun polimer tasarımları seçebilirler. Günümüz gıda ambalajları için biyolojik olarak doğada parçalanabilen alternatif çözüm yolları bulmak buna iyi bir örnektir.

NREL bilim insanları günümüz gıda ambalajları için biyolojik olarak parçalanabilen alternatif yollar için 15.000’den fazla bitki bazlı polimeri vakit kaybetmeden taramak için PolyID’den yardım aldı. Esasen ambalajların sıcaklıklara dayanıklı ve gıdayı taze tutması için güçlü buhar yalıtımı sağlaması istendiğinden dolayı petrol bazlı bir malzeme olan yoğunluklu polietilenden tasarlanmıştır.

Konu hakkında araştırma yapan NREL bilim insanları PolyID’de biyolojik olarak parçalanabilirlik ve daha düşük sera gazı oluşturabilecek maddeler için veri girişi yaptı. Bunun üzerine araç, biyokütleden yapılabilecek yedi polimer tasarımdan oluşan bir liste hazırladı. Laboratuvar üzerinde daha fazla test yapıldıktan sonra bilim insanları, aracın tahminlerinin işe yaradığını gördü. Yedi polimerin tamamı yüksek sıcaklıklara dayandığı gibi aynı zamanda net sera gazı emisyonlarını en aza indiriyor ve yiyecekleri daha uzun süre taze tutuyor.

PolyID, polimer endüstrisinin ihtiyaçlarına göre uyarlamak için gerekli bir araçtır. Çünkü biyokütleyi göz önüne aldığımızda en dahi kimyagerler için bile atık ve geleneksel hammaddelerden elde edilen milyonlarca benzersiz malzemeyi ele aldığımızda, özellik olarak sürdürülebilirliğe öncelik vermek zorlayıcı bir iş olmuştur.

Tüketicilerin etkileşimde bulundukları ürünleri giderek daha fazla talep etmesinden dolayı oluşan zararlı atıkları azaltmak isteyen birçok şirket tüketicileri, geri dönüşüme teşvik etmek ve karbon ayak izini azaltmak istediğinden ürünlerinde yenilikler yapmaya çalışıyor. Fakat ürünün performansından ödün vermeden bu istenileni elde etmek zor bir durumdur.

Wilson’a göre PolyID’nin en çok kendini gösterdiği nokta, sürdürülebilirliği sağlarken performanstan ödün vermemesidir. Wilson ek olarak ‘‘Bunlardan bazıları (PolyID’nin günümüz gıda ambalajları için biyolojik olarak doğada parçalanabilen yeni ambalajlar için bulduğu listeden bazıları), petrol polimerlerinin yerini doğrudan alabilir. Hatta çoğu durumda performans ve sürdürülebilirlik açısından daha da iyiler.” demiştir.

Bu sayede gıda ambalajları raf ömrünü uzatmaktan daha fazlasını yapabilecek, bir çift kayak malzemesi üzerindeki kaplamalar yalnızca soğuğu ve karı önlemeye yardımcı olmayacak, bisiklet kaskındaki termoplastik kabuk beyninizden daha fazlasını koruyacak. Evet, bütün bunlar sağlıklı ve yaşanabilir bir çevreyi desteklerken de yapılabilir.

Kaynaklar

1. https://phys.org/news/2023-11-artificial-intelligence-discovery-sustainable-higher-performing.html
2. Wilson, A. N., St John, P. C., Marin, D. H., Hoyt, C. B., Rognerud, E. G., Nimlos, M. R., … & Crowley, M. F. (2023). PolyID: Artificial Intelligence for Discovering Performance-Advantaged and Sustainable Polymers. Macromolecules.