Een team van energieonderzoekers van de Universiteit van Minnesota en de Universiteit van Massachusetts Amherst heeft ontdekt dat moleculaire beweging met hoge nauwkeurigheid kan worden voorspeld wanneer moleculen in kleine nanokooien worden opgesloten. Hun theoretische methode is geschikt om miljoenen mogelijke nanomaterialen te screenen en zou de productie van brandstoffen en chemicaliën kunnen verbeteren.

Het onderzoek wordt online gepubliceerd in ACS Centrale Wetenschap , een toonaangevend open-access tijdschrift van de American Chemical Society.

Moleculen in de lucht kunnen vrij bewegen, trillen en tuimelen, maar sluit ze op in kleine nanobuisjes of holtes en ze verliezen veel beweging. Het totale verlies in beweging heeft grote gevolgen voor het vermogen om CO2 uit de lucht af te vangen, biomassamoleculen omzetten in biobrandstoffen, of om aardgas te scheiden, die allemaal gebruik maken van nanomaterialen met kleine buisjes en poriën.

Onderzoekers van het Catalysis Center for Energy Innovation, met hoofdkantoor aan de Universiteit van Delaware, kwamen tot hun doorbraak toen ze nadachten over het knijpen van moleculen in krappe ruimtes. In de lucht, moleculen kunnen omhoog bewegen, omlaag, en de ruimte in (drie dimensies), maar in een nanobuisje was het niet duidelijk of moleculen maar in één richting (door de buis) of in twee richtingen (op het oppervlak van de buis) kunnen bewegen. evenzo, moleculen kunnen op drie manieren roteren en draaien, maar de buisranden kunnen deze beweging gedeeltelijk of volledig voorkomen. De hoeveelheid verloren rotatie was de onbekende hoeveelheid.

"Onze benadering was om moleculair tuimelen en roteren te scheiden van beweging in positie, " zei Omar Abdelrahman, een co-auteur van de studie, een assistent-professor chemische technologie van de Universiteit van Massachusetts Amherst en onderzoeker van het Catalysis Center for Energy Innovation. "We ontdekten dat alle moleculen wanneer ze in nano-kooien worden geplaatst, dezelfde hoeveelheid beweging in positie verliezen, maar de hoeveelheid roteren en spinnen hing sterk af van de structuur van de nano-kooi".

Het team verbond moleculaire beweging met de hoeveelheid entropie, die alle aspecten van moleculaire beweging combineert in een enkel getal. Moleculen verliezen verschillende hoeveelheden entropie wanneer ze toegang krijgen tot de binnenkant van nanoporeuze ruimtes, maar het is niet duidelijk geweest hoe de structuur van die nanoruimten de verandering in beweging en het verlies aan entropie beïnvloedde.

"Het klinkt misschien esoterisch, maar de entropieveranderingen van moleculen als gevolg van beperkingen van rotatie en beweging in positie binnen nanoporiën bepalen of nanomaterialen zullen werken voor duizenden energie- en scheidingstechnologieën, " zei Paul Dauenhauer, een co-auteur van de studie, een universitair hoofddocent chemische technologie en materiaalwetenschappen aan de Universiteit van Minnesota en onderzoeker van het Catalysis Center for Energy Innovation.

"Als we moleculaire beweging en entropie van moleculen kunnen voorspellen, dan kunnen we snel bepalen of geavanceerde nanomaterialen onze meest urgente energie-uitdagingen zullen oplossen, " voegde Dauenhauer eraan toe.

Het vermogen om entropie en moleculaire beweging te voorspellen is verbonden met de recente opkomst van nanotechnologie. In het afgelopen decennium, onderzoek naar nanomaterialen heeft miljoenen nieuwe technologieën ontwikkeld die kunnen grijpen, scheiden en reageren koolwaterstoffen van aardgas en biomassa. Echter, elk van deze duizenden nanomaterialen heeft een andere grootte en vorm, en het was te duur en tijdrovend om deze geavanceerde nanomaterialen één voor één te testen.

"Deze ontdekking opent echt de deur om te voorspellen welke nanomaterialen de doorbraak van de toekomst zullen zijn, " zei Dionisios Vlachos, de directeur van het Catalysis Center for Energy Innovation en professor aan de Universiteit van Delaware. "We hebben meer materialen op de computer uitgevonden dan we ooit kunnen testen, en nu kunnen we snel op de computer bepalen of deze zullen werken voor onze energie- en scheidingsbehoeften."

De focus op het voorspellen van moleculaire beweging in nanomaterialen bouwt voort op de focus van het Catalysis Center for Energy Innovation op het ontwerp van katalysatoren voor het omzetten van van biomassa afgeleide koolwaterstoffen in biobrandstoffen en biochemicaliën. Het team ontdekte onlangs een nieuwe klasse nanomaterialen genaamd "SPP" of "self-pillared pentasils, ", dit zijn zeoliet-nanomaterialen voor het reageren en scheiden van koolwaterstoffen. SPP en andere nanostructuren zijn ook de belangrijkste materialen geweest bij het ontdekken van chemische processen om hernieuwbaar plastic te maken voor frisdrankflessen en hernieuwbaar rubber voor autobanden.

De ontdekking van een vergelijking voor het voorspellen van moleculaire beweging in nanomaterialen maakt deel uit van een grotere missie van het Catalysis Center for Energy Innovation, een U.S. Department of Energy-Energy Frontier Research Center, geleid door de Universiteit van Delaware. Gestart in 2009, het Catalysis Center for Energy Innovation heeft zich gericht op transformationele katalytische technologie om hernieuwbare chemicaliën en biobrandstoffen te produceren uit lignocellulose (non-food) biomassa.