Exploração do “espaço químico” com o professor Anatole von Lilienfeld

Professora Anatole de Lilienfeld (Química, MSE) navega no espaço – mas ao invés de explorar as profundezas do universo, seu trabalho está aqui na Terra no “espaço químico”.

E, em vez de perseguir estrelas, galáxias e outros objetos celestes desconhecidos, concentra-se no potencial inexplorado de combinações químicas não descobertas. Para fazer esse trabalho, ele não está equipado com um telescópio poderoso – sua ferramenta de escolha é a inteligência artificial (IA).

Von Lilienfeld é o inaugural Clark Chair em Advanced Materials no Vector Institute e na Universidade de Toronto, e um membro fundamental do U de T Consórcio de Aceleração (ESTE). Nomeado conjuntamente para o Departamento de Química da Faculdade de Artes e Ciências e para o Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da U of T Engineering, ele é um dos principais especialistas no uso de computadores para entender a vastidão do espaço químico.

Von Lilienfeld, que foi recentemente nomeado Cátedra Canadá-CIFAR em IAfoi palestrante no Primeira Conferência Anual Accelerate da AC no mês passado na U de T.

Este programa de quatro dias se concentrou no poder dos laboratórios autônomos (SDL), uma tecnologia emergente que combina IA, automação e computação avançada para acelerar a descoberta de materiais e moléculas. A conferência Accelerate reuniu mais de 200 pessoas e contou com palestras e painéis com mais de 60 especialistas da academia, indústria e governo que estão moldando o campo emergente da ciência acelerada.

Erin Warner, especialista em comunicação do Acceleration Consortium, conversou recentemente com von Lilienfeld sobre a conferência e a digitalização da química.

Quão grande é o espaço “químico”?

Estamos cercados por materiais e moléculas. Considere os compostos químicos que compõem nossas roupas, a calçada em que andamos e as baterias de nossos carros elétricos. Agora pense em possíveis novas combinações esperando para serem descobertas, como catalisadores para captura e uso eficiente de CO2 atmosférico, cimento de baixo carbono, compósitos biodegradáveis ​​leves, membranas para filtração de água e moléculas poderosas para o tratamento de câncer e bactérias. – doença resistente.

Na prática, o espaço químico é infinito e percorrê-lo não é uma tarefa fácil. Uma estimativa baixa indica que contém 1060 compostos – mais do que o número de átomos em nosso sistema solar.

Por que precisamos acelerar a busca por novos materiais?

Muitos dos materiais mais utilizados não nos servem mais. A maioria dos resíduos plásticos gerados no mundo até hoje ainda não foi reciclado. Mas esperamos que os materiais que irão impulsionar o futuro sejam sustentáveis, circulares e baratos.

A química convencional é uma série lenta e muitas vezes tediosa de tentativa e erro que limita nossa capacidade de explorar além de um pequeno subconjunto de possibilidades. No entanto, a IA pode acelerar o processo prevendo quais combinações podem resultar em um material com o conjunto desejado de características que estamos procurando (por exemplo, condutivo, biodegradável, etc.).

É apenas um passo no Autonomous Labs, uma tecnologia emergente que combina IA, automação e computação avançada para reduzir o tempo e o custo de descoberta e desenvolvimento em até 90% dos materiais.

Como os químicos humanos e a IA podem trabalhar juntos de forma eficaz?

A IA é uma ferramenta que os humanos podem usar para acelerar e melhorar suas próprias pesquisas. Pode ser considerado como o quarto pilar da ciência. Os pilares, que se baseiam um no outro, incluem experimentação, teoria, simulação computacional e IA.

A experimentação é a base. Experimentamos com o propósito de melhorar o mundo físico para os humanos. Em seguida vem a teoria para dar forma e direção às suas experiências. Mas a teoria tem seus limites. Sem simulação por computador, a quantidade de cálculos necessários para apoiar a pesquisa científica levaria muito mais tempo do que uma vida inteira. Mas mesmo os computadores têm restrições.

Com equações difíceis vem a necessidade de computação de alto desempenho, que pode ser bastante cara. É aí que entra a IA. A IA é uma alternativa mais barata. Pode ajudar os cientistas a prever resultados experimentais e computacionais. E quanto mais teoria colocarmos no modelo de IA, melhor será a previsão. A IA também pode ser usada para alimentar um laboratório robótico, permitindo que o laboratório opere 24 horas por dia, 7 dias por semana. Os químicos humanos não serão substituídos; em vez disso, eles podem gastar horas tediosas de tentativa e erro para se concentrar mais no design de metas e em outras análises de nível superior.

Professor Anatole von Lilienfeld na conferência Accelerate na Universidade de Toronto. (Foto: Clifton Li, Acceleration Consortium)

Existem limitações para a IA, como as que você descreveu nos outros pilares da ciência?

Sim, é importante notar que a IA não é uma bala de prata e existe um custo associado que pode ser medido na aquisição de dados. Você não pode usar IA sem dados. E adquirir dados requer experimentar e registrar os resultados de uma forma que possa ser processada por computadores. Como um humano, a IA aprende examinando os dados e fazendo uma extrapolação ou previsão.

A aquisição de dados é cara, tanto financeiramente quanto em termos de pegada de carbono. Para remediar isso, o objetivo é melhorar a IA. Se você puder codificar nossa compreensão da física em IA, ela se tornará mais eficiente e exigirá menos dados para aprender, mas oferecerá as mesmas qualidades preditivas. Se forem necessários menos dados para treinamento, o modelo de IA se tornará menor.

Em vez de apenas usar a IA como ferramenta, o químico também pode interrogá-la para ver quão bem seus dados capturam a teoria, talvez levando à descoberta de uma nova lei relativa para a química. Embora essa relação interativa não seja tão comum, pode estar no horizonte e pode melhorar nossa compreensão teórica do mundo.

Como podemos tornar a IA para descoberta mais acessível?

A primeira maneira é a pesquisa de código aberto. No campo emergente da ciência acelerada, existem muitos defensores do acesso ao código aberto. Os periódicos não apenas fornecem acesso a artigos de pesquisa, mas também, em muitos casos, a dados, o que é um elemento importante para tornar o campo mais acessível. Também existem repositórios para templates e códigos como o GitHub. Fornecer acesso pode levar a avanços científicos que, em última análise, beneficiarão toda a humanidade.

Uma segunda maneira de expandir a IA para descoberta é incluir mais alunos. Precisamos ensinar habilidades básicas de computação e codificação como parte de uma formação em química ou ciência de materiais. Escolas de todo o mundo estão começando a atualizar seus currículos para esse fim, mas ainda precisamos ver mais incorporar esse treinamento essencial. O futuro da ciência é digital.

Como iniciativas como o Acceleration Consortium e uma conferência como o Accelerate ajudam a avançar no campo?

Estamos no alvorecer de uma verdadeira digitalização das ciências químicas. Esforços coordenados e conjuntos, como o Consórcio Acceleration, terão um papel crucial na sincronização de esforços não apenas no nível técnico, mas também no nível social, permitindo assim a implementação global de uma “versão atualizada” de engenharia química com benefícios sem precedentes para a humanidade em geral.

O consórcio também serve para conectar academia e indústria, dois mundos que podem se beneficiar de uma relação mais próxima. Os visionários comerciais podem imaginar oportunidades, e o consórcio estará lá para ajudar a fazer a ciência funcionar. A natureza revolucionária da IA ​​é que ela pode ser aplicada a qualquer setor. A IA está a caminho de ter um impacto ainda maior do que o advento dos computadores.

Accelerate, a primeira conferência anual do consórcio, foi um grande evento de mobilização para a comunidade e um lembrete de que grandes coisas podem vir de uma reunião de mentes brilhantes. Embora o Zoom tenha feito muito por nós durante a pandemia, ele não pode replicar facilmente a empolgação e o entusiasmo frequentemente cultivados durante uma conferência presencial necessária para orientar a pesquisa e incentivar um grupo a perseguir um objetivo.

Qual área do “espaço químico” mais te fascina?

Catalisadores, que permitem que uma certa reação química ocorra, mas permanecem inalterados no processo. Há um século, Haber e Bosch desenvolveram um processo catalítico que converteria o nitrogênio – a substância dominante no ar que respiramos – em amônia. A amônia é uma matéria-prima essencial para indústrias químicas, mas também para fertilizantes. Tornou possível a produção em massa de fertilizantes e salvou milhões da fome. Grandes frações da humanidade não existiriam neste momento sem esse catalisador.

De uma perspectiva física, o que define e controla a atividade e os componentes do catalisador são questões fascinantes. Eles também podem ser essenciais para nos ajudar a enfrentar alguns de nossos desafios mais prementes. Se encontrássemos um catalisador que pudesse usar a luz solar para transformar nitrogênio em amônia de maneira rápida e eficiente, poderíamos resolver nosso problema de energia usando amônia como combustível. Você pode pensar nas reações que os catalisadores permitem como formas de viajar pelo espaço químico e conectar diferentes estados da matéria.