Wetenschappers van de Universiteit van Southampton, die samenwerken met collega's van de Universiteit van Liverpool, hebben een nieuwe methode ontwikkeld die het potentieel heeft om een ​​revolutie teweeg te brengen in de manier waarop we zoeken naar, ontwerpen en produceren van nieuwe materialen.

De onderzoekers gebruikten geavanceerde computermodellering om in kaart te brengen hoe moleculen assembleren en kristalliseren om nieuwe materialen te vormen - elk molecuul leidt tot een groot aantal mogelijke structuren, elk met verschillende eigenschappen en mogelijke toepassingen.

Deze nieuwe aanpak, gepubliceerd in het tijdschrift Natuur , zou de ontdekking van materialen voor belangrijke toepassingen in energie kunnen versnellen, vervuilingscontrole, farmaceutische producten en tal van andere gebieden.

"Als een ingenieur een dam of een vliegtuig bouwt, de structuur is eerst ontworpen met behulp van computers. Dit is uiterst moeilijk op de grootteschaal van moleculen of atomen, die vaak op niet-intuïtieve manieren samenkomen, " legt Graeme Day uit, een professor in chemische modellering aan de Universiteit van Southampton. "Het is moeilijk om vanaf het begin op atomaire schaal te ontwerpen en het percentage mislukkingen bij het ontdekken van nieuwe materialen is hoog. Terwijl scheikundigen en natuurkundigen nieuwe materialen proberen te ontdekken, we voelen ons vaak ontdekkingsreizigers zonder betrouwbare kaarten."

Professor Andrew Cooper, Directeur van de Materials Innovation Factory aan de Universiteit van Liverpool, vervolgt:"Elk molecuul heeft een bijbehorend energieoppervlak, die je kunt zien als de kaart van een onbewoond eiland. Sommige eilanden bevatten schatten in de vorm van bruikbare nieuwe materialen, maar de meeste niet. Er is een bijna onbeperkt aantal moleculen dat we zouden kunnen, in principe, make - deze nieuwe methode vertelt ons welke eilanden we moeten zoeken en waarnaar we moeten zoeken."

In tegenstelling tot ingenieurs, scheikundigen zijn niet echt vrij om elke structuur te maken die ze willen:ze zijn beperkt tot het ontdekken van structuren die overeenkomen met de geoptimaliseerde posities van atomen - bekend als lokale minima - op een zeer complex energie-oppervlak. Dit oppervlak kan alleen in vele dimensies volledig worden weergegeven, dus kan niet gemakkelijk worden geconceptualiseerd.

Echter, het Britse team heeft methoden gecombineerd die voorspellen hoe moleculen kristalstructuren zullen vormen, met computersimulaties die de eigenschappen van deze structuren voorspellen. Het resultaat zijn relatief eenvoudige kleurgecodeerde kaarten die kunnen worden gebruikt, door onderzoekers zonder computerachtergrond, om de beste materialen voor specifieke toepassingen te vinden. Bijvoorbeeld, een onderzoeker die een zeer poreus materiaal probeert te maken om een ​​bepaald gas op te slaan, kan de kaart gebruiken om de beste moleculen te identificeren die deze eigenschap optimaliseren.

In de simulaties die in hun paper worden benadrukt, de onderzoekers pasten deze nieuwe benadering toe op een reeks bekende en hypothetische moleculen, wat leidde tot de ontdekking en synthese van materialen met grote methaanopslagcapaciteiten, die gevolgen heeft voor voertuigen die op aardgas rijden. Het onderzoek leidde ook tot de synthese van het minst dichte moleculaire kristal dat ooit is gemaakt, laten zien hoe computationele methoden kunnen worden gebruikt om ongekende eigenschappen te ontdekken.