Molekylære skattekort for at hjælpe med at opdage nye materialer

Forskere ved University of Southampton har i samarbejde med kolleger ved University of Liverpool udviklet en ny metode, der har potentiale til at revolutionere den måde, vi søger efter, designe og producere nye materialer.

Forskerne brugte sofistikeret computermodellering til at kortlægge, hvordan molekyler samles og krystalliseres for at danne nye materialer - hvert molekyle fører til et utal af mulige strukturer, hver med forskellige egenskaber og mulige applikationer.

Denne nye tilgang, offentliggjort i tidsskriftet Natur , kunne fremskynde opdagelsen af ​​materialer til centrale applikationer inden for energi, forureningskontrol, lægemidler og en lang række andre områder.

"Når en ingeniør bygger en dæmning eller et fly, strukturen blev først designet ved hjælp af computere. Dette er ekstremt vanskeligt i størrelsesskalaen for molekyler eller atomer, som ofte samles på ikke-intuitive måder, "forklarer Graeme Day, professor i kemisk modellering ved University of Southampton. "Det er svært at designe i atomskala fra bunden, og fejlfrekvensen i opdagelse af nye materialer er høj. Da kemikere og fysikere forsøger at opdage nye materialer, vi føler os ofte som opdagelsesrejsende uden pålidelige kort. "

Professor Andrew Cooper, Direktør for Materials Innovation Factory ved University of Liverpool, fortsætter:"Hvert molekyle har en tilhørende energioverflade, som du kan tænke på som et kort over en øde ø. Nogle øer indeholder skatte i form af nyttige nye materialer, men de fleste gør det ikke. Der er et næsten ubegrænset antal molekyler, som vi kunne, i princippet, make - denne nye metode fortæller os, hvilke øer vi skal søge, og hvad vi skal kigge efter. "

I modsætning til ingeniører, kemikere er ikke rigtigt frie til at lave den struktur, de ønsker:de er begrænset til at opdage strukturer, der svarer til de optimerede positioner af atomer - kendt som lokale minima - på en meget kompleks energioverflade. Denne overflade kan kun repræsenteres fuldt ud i mange dimensioner, så det kan ikke let konceptualiseres.

Imidlertid, Det britiske team har kombineret metoder, der forudsiger, hvordan molekyler vil danne krystalstrukturer, med computersimuleringer, der forudsiger egenskaberne af disse strukturer. Resultatet er relativt enkle farvekodede kort, der kan bruges, af forskere uden beregningsmæssig baggrund, at finde de bedste materialer til specifikke applikationer. For eksempel, en forsker, der forsøger at skabe et meget porøst materiale til lagring af en bestemt gas, kan bruge kortet til at identificere de bedste molekyler, der optimerer denne egenskab.

I de simuleringer, der blev fremhævet i deres papir, forskerne anvendte denne nye tilgang til en række kendte og hypotetiske molekyler, hvilket førte til opdagelse og syntese af materialer med stor metankapacitet, som har konsekvenser for naturgasdrevne køretøjer. Forskningen førte også til syntesen af ​​den mindst tætte molekylære krystal, der nogensinde er blevet skabt, viser, hvordan beregningsmetoder kan bruges til at opdage hidtil usete egenskaber.