弗吉尼亚理工大学的两名研究人员获得了 120 万美元的资助，用于开发一种电子分子工具箱，该工具箱使用机器学习和分析技术来支持环保消防泡沫的开发。
这笔资金由国防部的环境科学与技术计划战略环境研究与发展计划提供。
机械工程教授布赖恩·拉蒂默 (Brian Lattimer) 是该项目的主要调查员。他的机械工程同事 Rui Qiao 和亚利桑那州立大学可持续大分子材料与制造生物设计中心主任 Tim Long 也加入了他的行列。
更换有害化学品
该项目的倡议来自与禁止全氟烷基物质 (PFAS) 相关的立法。PFAS 通常被称为“永久化学品”，因为它们一旦释放到环境中就会缓慢分解。越来越多的证据表明，PFAS 会导致人类和野生动物的不良健康反应。
这些化学物质目前存在于国防部 (DOD) 和机场用来抑制液体燃料因意外泄漏以及车辆和飞机事故而起火的水性成膜泡沫 (AFFF) 中，并计划由国防部在2023 年。虽然这将是一项有益于公共卫生的措施，但对高性能灭火的需求仍然是国防部的一个关键问题。
Lattimer 解释说，AFFF 通过用泡沫毯覆盖燃料表面以防止蒸汽释放来灭火。这种行为的独特之处在于泡沫能够快速灭火并防止燃料重新点燃。这使消防员能够迅速灭火，然后走过泡沫救援人员。
据 Lattimer 称，目前还没有与 AFFF 性能相同的环保泡沫材料。为了在快速关闭的时间窗口内发现潜在的解决方案，该小组将使用分子水平的实验和模拟来发现是什么使当前的 AFFF 如此高效。然后，他们将部署机器学习来建立数学模型，在分子水平上预测燃料通过表面活性剂溶液的传输，并提出预计会限制燃料传输的新分子。
使用这种方法，他们希望帮助化学家加速开发高性能、环保的泡沫，供国防部、机场和其他高危液体燃料储存设施使用。
“消防泡沫不仅被国防部使用，而且在世界各地的机场都有使用，”拉蒂默说。“在飞机失事等情况下，乘客救援的时间以秒为单位。环保泡沫可以像 AFFF 一样有效地扑灭火灾，以确保生命安全，这一点至关重要。”
汇聚专家
由来自两所大学的三个研究小组组成的多学科研究计划将协调化学合成、实验试验和建模方面的平行工作，以检查燃料和泡沫的相互作用，展示泡沫表面活性剂溶液在受控场景中的表现如何不同，并提供对泡沫稳定性的深入了解。
这三个小组将不断分享他们从实验中获得的见解，最终形成快速组装的数据体。
Lattimer 的小组将研究从纳米尺度到宏观尺度暴露于燃料的泡沫的性质和行为，并将这些发现传达给乔的团队，以数学方式模拟相互作用。Long在亚利桑那州立大学的团队将合成表面活性剂分子，控制特定的几何细节，以支持识别表面活性剂特征的实验工作，这些特征最显着影响燃料通过泡沫传输的阻力。
该团队的电子分子工具箱将包括基于机器学习的预测模型和一套补充分析方法，化学家可以使用这些方法来识别可能与 AFFF 类似的新型环保表面活性剂。他们的目标是验证一系列不同表面活性剂的工具箱，以便其他科学家可以使用它来开发新的消防泡沫配方，以加速未来泡沫的发现。
在项目结束时，研究团队将与致力于开发新配方的行业科学家共享电子分子工具箱，并将与他们一起设计新的解决方案。拉蒂摩尔和团队计划推出该数据到我传译然后，科学家谁就能加入到本研究开发的数据集，进一步提高模型的性能。
“通过这项研究，我们希望为减少燃料通过泡沫运输的化学结构提供实质性证据，”拉蒂默说。“这些数据可以为化学家提供工具来确定新的解决方案，以实现卓越的灭火性能，甚至有望超过过去使用的性能。”
