Polymer til at fange ammoniakforurening realiseret

Forskere ved Niels Bohr Institutet og Institut for Kemi ved Københavns Universitet, har for nylig designet en porøs polymer med det formål at fange små molekyler. Ammoniak er en giftig gas, der i vid udstrækning bruges som reagens i industrielle processer eller som følge af landbrugsaktiviteter, forårsager irritation i halsen, øjenskader og endda død for mennesker. At kunne fange det med denne nye metode kan have enorme sundhedsmæssige fordele. Resultatet er nu offentliggjort i ACS -anvendte materialer og grænseflader.

Lektor ved Niels Bohr Institute, Heloisa Bordallo, forklarer:"Hvis vi vil bruge dette materiale i en reel applikation til at løse et vigtigt samfundsproblem som ammoniakforurening, det er vigtigt at forklare, hvordan ammoniak indfanges af det porøse netværk i polymeren. Dette indebærer, at vi skulle finde på en teknik, der giver os mulighed for at finde ud af præcist, hvordan interaktionen mellem polymeren og ammoniak foregår. Det lykkedes at besvare dette spørgsmål, vil gøre os i stand til bedre at forstå, hvordan denne eller andre polymerer kan være effektive på tværfaglige områder, herunder nanomedicin og beskyttende belægninger. Hvis den skaleres op - hvilket ikke er en simpel proces - kan dette have en betydelig positiv indvirkning på arbejdsmiljøet for mange mennesker over hele kloden. "

Polymeren viste overraskende gode egenskaber allerede i starten

Lektor Jiwoong Lee ved kemiafdelingen og Rodrigo Lima, en tidligere postdoc ved Niels Bohr Institute, syntetiseret 2 gram af polymeren, hvilket ikke lyder af meget men det er faktisk betydeligt, i betragtning af de mængder kemikere normalt arbejder med, er kun et par milligram. Efter dette første trin, holdet brugte en masse forskellige teknikker til at karakterisere materialet. Lektor Jiwoong Lee forklarer, "Synteseprocessen involverer ofte at vaske materialet med opløsningsmidler, og det var en dejlig overraskelse at indse, at den porøse polymer faktisk holdt en del af disse opløsningsmidler inde. Dette var tegn på materialets evne til måske at fange andre forurenende stoffer, såsom ammoniak. "

Forskerne udførte eksperimenter på ISIS Neutron og Muon Source -delen af ​​STFC Rutherford Appleton Laboratory i Storbritannien, hvor dynamikken i hydrogenbindinger blev undersøgt ved at indsamle neutronspredningsdata ved lavt tryk for at få ammoniak ind i polymeren. Neutronspredning er en teknik, der er i stand til at beskrive, hvor atomerne er placeret, og på samme måde beskrive, hvordan atomerne bevæger sig inde i et materiale. Bagefter, Rodrigo Lima, tidligere postdoc ved Niels Bohr Institute, oprettede et eksperiment på termisk analyselaboratorium ved Niels Bohr Institutet og demonstrerede, at ammoniak ikke kun blev fanget, men fastgjort til de porøse materialer. "Dette var en sand overraskelse! Polymeren binder ammoniak meget stærkt, " han siger.

Karakterisering af den amorfe polymer viste sig at være en udfordring i sig selv

"For at kunne forklare denne tilsyneladende stærke forbindelse mellem polymeren og ammoniakken, vi havde brug for at kende polymerens struktur. Men da denne særlige polymer er amorf, det er svært at karakterisere dets struktur fuldt ud. På en måde kan man sige, at vi havde markeret feltet for at fange ammoniakken, men vi havde stadig brug for at forklare, hvordan dette sker - og til det havde vi brug for et bedre overblik over strukturen, hvilket var uopnåeligt. Noget dilemma for at få fuld succes i en del af projektet, og ikke være i stand til at forklare præcis hvorfor. "Heloisa Bordallo forklarer.

Forskerne lavede forskellige kombinationer af polymerbyggestenene og var i stand til at beregne et spektrum, ved hjælp af en beregningsmodelleringsmetode kaldet DFT, fra en kombination, der kom tættest på at ligne målingerne i den rigtige prøve. Det her, endelig, gjort dem i stand til at 'krydse af' for at fortolke, hvordan polymeren binder.

"Der er mange applikationer til en polymer, der fanger ammoniak, "Jiwoong Lee forklarer." Det ville være nyttigt i laboratorier, som belægning til masker til personlig sikkerhed, da ammoniak er giftig og også meget ætsende. Det kan bruges som filtre, reducere spredningen af ​​ammoniak frigivet gennem udstødningen fra mange typer industri. Tænker fremad, det er muligt, at polymerteknikken også kan anvendes på andre typer af forurenende stoffer. "

Maskinlæring og kunstig intelligens

Heloisa Bordallo ønsker at anvende maskinlæring på amorfe systemer. Til dette eksperiment, hun og hendes kolleger lavede eksperimentet 'i hånden, ' så at sige, men det er måske en mere levedygtig måde at gå i gang med denne proces ved at bruge maskinlæring og kunstig intelligens. Anvendelse af deep learning -algoritmer kan hjælpe med nøjagtigt at klassificere amorfe materialer og karakterisere deres strukturelle træk. "Så ved at kombinere maskinlæring med teoretiske beregninger vil vi være i stand til at analysere neutronspredningsdata på en meget mere elegant måde, " hun siger.