Et nyt værktøj til at opdage nanoporøse materialer

Materialer klassificeret som "nanoporøse" har strukturer (eller "rammer") med porer op til 100 nm i diameter. Disse inkluderer forskellige materialer, der bruges på forskellige områder fra gasseparation, katalyse, og endda medicin (f.eks. aktivt kul). Nanoporøse materialers ydeevne afhænger af både deres kemiske sammensætning og formen på deres porer, men sidstnævnte er meget vanskelig at kvantificere. Indtil nu, kemikere er afhængige af visuel inspektion for at se, om to materialer har lignende porer. EPFL -forskere, inden for rammerne af NCCR-MARVEL, har nu udviklet en innovativ matematisk metode, der gør det muligt for en computer at kvantificere lighed mellem porestrukturer. Metoden gør det muligt at søge i databaser med hundredtusinder af nanoporøse materialer for at opdage nye materialer med den rigtige porestruktur. Værket er udgivet i Naturkommunikation .

Søgningen efter nanoporøse materialer

Nanoporøse materialer omfatter en bred kategori og kan variere meget i deres kemiske sammensætning. Det, der forener dem, er tilstedeværelsen af ​​porer i nanostørrelse i deres tredimensionelle struktur, hvilket skænker dem katalytiske og absorberende egenskaber. Disse porer kan variere mellem 0,2-1000 nanometer, og deres størrelse og form (deres "geometri") kan have en afgørende effekt på materialets egenskaber. Faktisk, poreform er en lige så vigtig forudsigelse for ydeevne som kemisk sammensætning.

I dag, computere kan generere store databaser over potentielle materialer og bestemme - inden de skal syntetiseres - hvilke materialer der ville fungere bedst for en given applikation. Men deres kemi er så alsidig, at antallet af mulige nye materialer er næsten ubegrænset, mens vi ikke har en metode til at kvantificere og sammenligne lighed mellem pore geometrier. Alt dette betyder, at det er udfordrende at finde det bedste nanoporøse materiale til enhver given applikation.

Matematik til undsætning

En ny metode udviklet i et samarbejde mellem laboratorierne fra Berend Smit og Kathryn Hess Bellwald på EPFL anvender en teknik fra anvendt matematik kaldet "vedvarende homologi". Denne teknik kan kvantificere den geometriske lighed mellem porestrukturer ved at anvende de matematiske værktøjer, der normalt bruges af Facebook og andre til at finde lignende ansigter i uploadede fotos.

Den vedvarende homologimetode frembringer "fingeraftryk", repræsenteret med stregkoder, der karakteriserer poreformerne af hvert materiale i databasen. Disse fingeraftryk sammenlignes derefter for at beregne, hvor ens poreformerne i to materialer er. Dette betyder, at denne tilgang kan bruges til at screene databaser og identificere materialer med lignende porestrukturer.

EPFL -forskerne viser, at den nye metode er effektiv til at identificere materialer med lignende pore -geometrier. En klasse af nanoporøse materialer, der ville drage fordel af denne innovation, er zeolitterne og de metal-organiske rammer (MOF'er), hvis anvendelser spænder fra gasseparation og opbevaring til katalyse.

Forskerne brugte metanopbevaring - et vigtigt aspekt af vedvarende energi - som en casestudie. Den nye metode viste, at det er muligt at finde nanoporøse materialer, der udfører såvel som kendte materialer, der fungerer bedst ved at søge i databaser efter lignende poreformer.

Omvendt undersøgelsen viser, at poreformerne af de mest effektive materialer kan sorteres i topologisk forskellige klasser, og at materialer fra hver klasse kræver en anden optimeringsstrategi.

"Vi har en database med over 3, 000, 000 nanoporøse materialer, så at finde lignende strukturer gennem visuel inspektion er udelukket, "siger Berend Smit." Faktisk, går gennem litteraturen, vi fandt ud af, at forfattere ofte ikke indser, når en ny MOF har den samme porestruktur som en anden. Så vi har virkelig brug for en beregningsmetode. Imidlertid, mens mennesker er intuitivt gode til at genkende former som de samme eller forskellige, vi havde brug for at arbejde sammen med matematikafdelingen på EPFL for at udvikle en formalisme, der kan lære denne færdighed til en computer. "

"Inden for algebraisk topologi, matematikere har formuleret teorien om persistenshomologi i enhver dimension, "siger Kathryn Hess." Tidligere applikationer brugte kun de to første af disse dimensioner, så det er spændende, at kemiske ingeniører på EPFL har opdaget en betydelig applikation, der også kræver den tredje dimension. "