Forskere udvikler en tilgang til at forudsige egenskaberne af nanomaterialer

Kemikere ved St. Petersburg University har brugt big data-analyseteknikker til at forudsige de fotokatalytiske egenskaber af zinkoxidnanoplader, altså et nanostruktureret materiale bestående af partikler i form af tynde plader. Undersøgelsen havde til formål at løse problemet med affaldsfri nedbrydning af organiske farvestoffer, som er meget udbredt i både malings- og tekstilindustrien. Forskningsresultaterne og -resultaterne kan også anvendes til andre lignende miljøproblemer.

Udvikling af nye materialer er en væsentlig opgave for moderne videnskab. Disse materialer kan reducere skadelige emissioner til biosfæren og reducere miljøforurening. Udvikling af nye materialer er en kompleks og arbejdskrævende proces. Det omfatter flere faser. Hvert trin er utroligt tidskrævende, og chancerne er, at det måske ikke giver det ønskede resultat.

Kemikere skal først syntetisere et materiale; for det andet, studere dens egenskaber; og til sidst test det for at se, om det nye materiale kan løse en specifik opgave. Forskere sigter mod at forenkle og fremskynde denne udviklingsproces. Alligevel skal de først forstå, selv før de syntetiserer et stof, hvilke egenskaber de skal udvikle for at gøre stoffet mere effektivt til at løse et bestemt problem.

Forskere ved St. Petersburg University har udviklet en tilgang til at forudsige de fotokatalytiske egenskaber af zinkoxidnanoark. Tilgangen åbner brede perspektiver for udvikling af nanomaterialer med de egenskaber af interesse, der kan bruges til for eksempel at rense spildevand fra farvestoffer. Værket er publiceret i tidsskriftet Applied Surface Science .

Forskerne brugte zinkoxid-nanoark som fotokatalysator, det vil sige et materiale, der er i stand til at nedbryde organiske farvestoffer under synligt lys. Zinkoxid er ugiftigt og enkelt i sin produktion. Partikler i nanostørrelse har et større overfladeareal sammenlignet med et almindeligt bulkmateriale. Som et resultat er farvestofnedbrydning hurtigere og mere effektiv. Det er overgangen til nanoskalaen, der afslører mange stoffers unikke egenskaber, herunder defektrelaterede egenskaber.

"Forestil dig, du har en færdiggjort Rubiks terning med alle farverne korrekt matchet. Forestil dig nu, at farverne ikke kun er blandet sammen, men at nogle dele også mangler. Men uanset hvor paradoksalt det lyder, er det disse defekter, der forklarer mange interessante egenskaber ved halvleder-nanomaterialer, herunder dem, der gør os i stand til at bruge zinkoxid-nanoplader til at løse miljøproblemer," sagde Dmitry Tkachenko, en medforfatter af undersøgelsen, en laboratorieassistent og forsker i afdelingen for generel og uorganisk kemi ved St. Petersborg Universitet.

Undersøgelsen havde tre faser. Først syntetisere zinkoxid nanoplader og beskrive deres egenskaber; for det andet overvejer processen med farvestofnedbrydning på molekylært niveau; og for det tredje udvikling af en model til at forudsige fotokatalysatoreffektiviteten.

"I øjeblikket er det endnu ikke klart, hvordan vi kan regulere og bestemme antallet af defekter (blandede og manglende farver i Rubiks terning) i nanoobjekter. Men i løbet af arbejdet var det ikke kun muligt at finde en måde at regulere antallet af sådanne defekter i nanoplader, men også at anvende en original tilgang til at forudsige dem," sagde Olga Osmolovskaya, leder af gruppen for syntese og undersøgelse af nanopartikler og nanostrukturerede materialer, lektor ved Institut for Generel og uorganisk kemi ved St. Petersborg Universitet.

Som et resultat opnåede kemikerne ved St. Petersburg University et sæt parametre, der beskriver strukturen og egenskaberne af zinkoxidnanoark.

"Hensynet til fænomener og processer i kemi forbindes ofte med et eksperiment i laboratoriet, som kræver et vist niveau af udstyr og færdigheder. Vi foreslår at bruge computersimulering, som ikke kræver specielt og dyrt udstyr og har meget større kapaciteter og evner. fleksibilitet," forklarede Mikhail Voznesenskiy, forfatteren af ​​den beregningsmæssige del af undersøgelsen, lektor ved Institut for Fysisk Kemi ved St. Petersborg Universitet.

Som et resultat heraf udvalgte forskerne fra hele sættet af parametre dem, der havde den største indvirkning på fotokatalysatorens aktivitet.

"Således har vi udviklet en unik model til at forudsige effektiviteten af ​​farvestofnedbrydning i nærværelse af zinkoxidnanoplader. Nu kan enhver videnskabsmand, uden at udføre et eksperiment, finde ud af, hvor effektiv en fotokatalysator med visse parametre vil være. tur, åbner helt nye muligheder i udviklingen af ​​nanomaterialer med egenskaberne i interesse," forklarede Dmitry Kirsanov, forfatteren til den kemometriske del af undersøgelsen, professor ved Institut for Analytisk Kemi ved St. Petersborg Universitet.

Flere oplysninger: N.D. Kochnev et al., Regulering og forudsigelse af defektrelaterede egenskaber i ZnO nanoark:syntese, morfologiske og strukturelle parametre, DFT-undersøgelse og QSPR-modellering, Anvendt overfladevidenskab (2023). DOI:10.1016/j.apsusc.2023.156828

Leveret af St. Petersburg State University