Một Con Đường Để Chấm Dứt Hóa Chất Vĩnh Viễn

Tháng 7 năm 2023, Cơ quan Đo đạc Địa chất Hoa Kỳ đã công bố một báo cáo cho thấy ít nhất 45% nước máy của quốc gia được ước tính chứa một hoặc nhiều loại chất per- và polyfluorinated alkyl, hay PFAS. Những chất này, được biết đến với tên gọi “hóa chất vĩnh viễn” vì chúng phân hủy rất chậm, đã được liên kết với các tác động tiêu cực đối với sức khỏe, bao gồm rủi ro cao về trọng lượng sinh non ở trẻ sơ sinh, một số loại ung thư, tăng cường béo phì và giảm khả năng sinh sản.

PFAS nói chung không phân hủy được, vì vậy việc tìm ra cách phá vỡ liên kết hóa học của chúng một cách hiệu quả và loại bỏ chúng khỏi môi trường đã trở thành ưu tiên hàng đầu của các nhà khoa học trên khắp thế giới. Vấn đề này không chỉ cấp bách vì tác động tiêu cực đối với sức khỏe của PFAS mà còn do sự sử dụng rộng rãi của chúng - trong quần áo chống nước, bao bì thực phẩm, bọt chữa cháy, sơn, keo, chất bôi trơn và nhiều sản phẩm khác.

Đội ngũ tại Good Chemistry, thành lập vào năm 2021, tin rằng hóa học tính toán là chìa khóa để cải thiện chất lượng nước uống và loại bỏ hóa chất vĩnh viễn khỏi môi trường. Công ty sử dụng công nghệ máy tính hiệu suất cao (HPC) dựa trên đám mây để phân tích các phân tử PFAS và xác định cách chúng có thể được phá vỡ. Họ cũng sử dụng công nghệ này để xác định các phân tử để chúng có thể được loại bỏ khỏi quy trình sản xuất.

“Hiểu đúng về các phản ứng hóa học là chìa khóa để tìm ra giải pháp tốt nhất để phá vỡ PFAS và loại bỏ chúng khỏi môi trường,” nói Arman Zaribafiyan, người sáng lập Good Chemistry.

Một Tiếp Cận Tính Toán đối với Hóa Học

Sau sự ra đời của siêu máy tính vào những năm 1960, chi phí và kích thước của chúng đã hạn chế chúng ở các cơ quan chính phủ và phòng thí nghiệm nghiên cứu. Nhưng trong suốt 15 năm qua, đám mây đã làm cho sức mạnh tính toán lớn trở nên phổ biến và dễ tiếp cận hơn đối với nhiều tổ chức, trong đó có Good Chemistry. Công ty có trụ sở tại Vancouver - gồm các nhà hóa học tính toán và lượng tử, nhà phát triển phần mềm, kỹ sư máy học và nhà khoa học máy tính lượng tử - tập trung vào việc sử dụng hóa học tính toán, chạy mô phỏng số thay vì thí nghiệm thực laboratorio truyền thống, để thay đổi cách các vật liệu mới được phát hiện và thiết kế.

Là một phần của nỗ lực để đạt được mức độ chính xác và tốc độ đột phá, Good Chemistry đã phát triển QEMIST Cloud, một nền tảng hóa học tính toán sử dụng các cụm HPC để mở rộng những gì có thể thực hiện được với mô phỏng hóa học lượng tử. Xây dựng trên cơ sở hạ tầng của AWS, QEMIST Cloud là một giải pháp phần mềm-dưới-dạng-dịch-vụ (SaaS) chuyên sâu, dựa trên đám mây mà các nhà phát triển hóa học tính toán có thể sử dụng để tạo ra ứng dụng mô phỏng hóa chất và quy trình làm việc cho các thí nghiệm và nghiên cứu của họ. Nền tảng mang lại khả năng siêu máy tính cho các tổ chức nghiên cứu, bất kể kích thước hoặc nguồn lực của họ.

“Chúng tôi hiện có thể [phân tích] các phản ứng hóa học với quy mô khổng lồ nhờ vào quy mô chưa từng có của đám mây và độ chính xác của các thuật toán của chúng tôi,” Zaribafiyan nói.

Với phương pháp này, sử dụng trí tuệ nhân tạo và máy tính lượng tử, công ty có thể dự đoán cách một phân tử sẽ hoạt động trước khi nó được tạo ra trong phòng thí nghiệm.

Mở Rộng Quy Mô để Chiến Đấu với Các Chất Hóa Học Vĩnh Viễn

Vì mô phỏng hóa học chính xác yêu cầu lượng lớn công suất máy tính, Good Chemistry hợp tác với AWS để có quyền truy cập vào công nghệ HPC mà không phải chịu gánh nặng duy trì cơ sở hạ tầng. Điều này giúp Good Chemistry nhân bản khả năng mở rộng của nền tảng QEMIST Cloud của mình đồng thời giảm chi phí.

Trong khi khách hàng có thể sử dụng AWS để chạy các công việc chặt chẽ liên kết, tương tự như những công việc chạy trên siêu máy tính truyền thống, Good Chemistry lại tiếp cận một cách khác. QEMIST Cloud có thể mở rộng nhanh chóng và tự động lên sử dụng hơn một triệu lõi CPU phân tán—chỉ cần kết nối với cơ sở hạ tầng AWS linh hoạt và có thể mở rộng thay đổi thay vì phải dựa vào các cụm máy tính cố định và cục bộ.

“Good Chemistry có thể tirilh vụ khả năng chưa từng có của thậm chí là những siêu máy tính truyền thống lớn nhất,” tiến sĩ Neil Ashton, chuyên gia kỹ thuật máy tính chính với đội ngũ Advanced Computing and Simulation của AWS, cho biết. “Với quy mô cơ sở hạ tầng AWS, chúng tôi có thể hỗ trợ một triệu lõi trong một vùng đơn. Điều này có nghĩa là Good Chemistry có thể thực hiện nhiều thí nghiệm hơn và thực hiện chúng với độ chính xác cao hơn, điều mà không thể thực hiện nếu không có quyền truy cập vào mức độ này.”

AWS cung cấp một loạt các tùy chọn giá cho khả năng tính toán, mang lại hiệu suất cần thiết với giá tối ưu cho Good Chemistry và những người khác. “Bạn không cần phải chi hàng triệu đô la cho cơ sở hạ tầng để có khả năng tính toán ở quy mô này,” Philip Ifrah, trưởng nhóm sản phẩm tại Good Chemistry, nói. “Giải pháp của chúng tôi trên AWS điều phối hàng triệu nguồn lực tính toán theo yêu cầu để thực hiện các thí nghiệm đẩy ranh giới của điều có thể.”

Với quyền truy cập vào HPC có thể mở rộng, Good Chemistry đã có thể tính toán một cách chính xác năng lượng cần thiết để phá vỡ liên kết hóa học trong ba phân tử PFAS: TFA, PFBA và PFOA. Công ty đã làm việc với PFOA, một trong những phân tử PFAS lớn nhất và nổi tiếng nhất, đặc biệt đáng chú ý. Good Chemistry tính toán năng lượng phá vỡ liên kết cho PFOA trong 37 giờ, chỉ với bốn giờ ở đỉnh của một triệu lõi, một quy trình mà nếu công ty thực hiện cùng các mô phỏng theo thứ tự sẽ mất vài năm. Theo công ty, PFOA là phân tử PFAS lớn nhất được mô phỏng với độ chính xác gần như tuyệt đối đến nay.

“Bằng cách xác định cách phá vỡ phân tử này, Good Chemistry đặt nền móng cho việc tạo ra các quy trình kỹ thuật có thể phá vỡ những hóa chất này ngoài phòng thí nghiệm,” Ashton nói. “Đây chỉ là bước đầu tiên. Tốc độ mà Good Chemistry đã làm được điều này mở ra cánh cửa để hiểu và loại bỏ hàng ngàn PFAS ở một tốc độ chưa từng có, quy trình có thể được mở rộng và sử dụng trên khắp thế giới để cải thiện sức khỏe của hàng triệu người.”

Zaribafiyan nói, “Chúng tôi đã mở rộng QEMIST Cloud động lực lượng lên một triệu lõi trên AWS, và đến ngày hôm sau, chúng tôi đã có thể tạo ra một giải pháp mới mà trước đây chúng tôi không thể làm được. Tất cả chỉ cần sự linh hoạt theo yêu cầu của đám mây. Điều này làm thay đổi trò chơi cho HPC trong ngành khoa học vật liệu và hóa học.”

Khám Phá Khoa Học Mới để Cải Thiện Hành Tinh

Công việc của Good Chemistry trên QEMIST Cloud là một bước quan trọng tiến lên phía trước trong việc khắc phục PFAS và có khả năng đóng một vai trò quan trọng trong việc phát hiện các phương pháp mới để phá vỡ các phân tử có hại.

“Qua dự án PFAS này, chúng tôi đã chứng minh rằng chúng tôi có thể thực hiện các phép tính với độ chính xác rất cao trên AWS,” Takeshi Yamazaki, giám đốc nghiên cứu và phát triển tại Good Chemistry nói. “Chúng tôi đang tạo ra rất nhiều dữ liệu chất lượng cao sẽ giúp chúng tôi cung cấp các mô hình học máy khác biệt cho việc khám phá vật liệu.”

Good Chemistry đang mở rộng QEMIST Cloud để hỗ trợ nhiều ngành công nghiệp hơn, như dược phẩm, hóa chất tiên tiến, năng lượng và ô tô. Các trường hợp sử dụng đang tiến triển—bao gồm dự đoán cấu trúc tinh thể, tìm kiếm ảo và dự đoán con đường phản ứng—sẽ giảm đáng kể chi phí, thời gian và rủi ro liên quan đến phát triển thuốc mới. Công ty cho biết nền tảng này sẽ dẫn đến sự phát triển của pin tốt hơn, hiệu quả hơn trong việc thu hồi carbon và tấm pin năng lượng mặt trời tốt hơn.

“Hạ tầng của chúng tôi hoàn toàn có thể tương tác, vì vậy bạn có thể dễ dàng xây dựng môi trường bạn cần, được điều chỉnh cho ứng dụng cụ thể của bạn,” Ashton nói. “Sử dụng công nghệ AWS, bạn có thể chạy triệu nhiệm vụ kết hợp lỏng lẻo, như Good Chemistry làm, và vào ngày hôm sau xây dựng một cụm hàng nghìn GPU làm việc chặt chẽ với nhau để huấn luyện mô hình AI tạo mới nhất, như Stability.AI.”

Good Chemistry đã được chọn tham gia AWS Clean Energy Accelerator, nơi nó sẽ cùng các tổ chức năng lượng hàng đầu giải quyết các thách thức năng lượng sạch và giảm khí nhà kính pressings.

“Hiện tại, chúng tôi chỉ mới chạm đến bề mặt,” Ifrah nói. “Chúng tôi háo hức mở rộng khả năng của mình trong lĩnh vực hóa học tính toán, học máy và tính toán lượng tử để mang đến nhiều ứng dụng mới.”

Tìm hiểu thêm về cách hạ tầng đám mây AWS có thể giúp bạn đổi mới để xây dựng và vận hành ứng dụng an toàn và hiệu suất, tạo ra trải nghiệm khách hàng mới, cải thiện hiệu quả và mở rộng doanh nghiệp nhanh hơn.

Câu chuyện này được sản xuất bởi AWS và được biên tập bởi Mytour Brand Lab.