Onderzoekers van het Niels Bohr Instituut en de afdeling Scheikunde van de Universiteit van Kopenhagen, hebben onlangs een poreus polymeer ontworpen dat gericht is op het opvangen van kleine moleculen. Ammoniak is een giftig gas dat veel wordt gebruikt als reagens in industriële processen of als gevolg van landbouwactiviteiten, irritatie in de keel veroorzaken, oogbeschadiging en zelfs de dood van mensen. Het kunnen vastleggen met deze nieuwe methode kan enorme gezondheidsvoordelen hebben. Het resultaat is nu gepubliceerd in ACS Toegepaste Materialen &Interfaces.

Universitair hoofddocent aan het Niels Bohr Instituut, Heloisa Bordallo, legt uit:"Als we dit materiaal in een echte toepassing willen gebruiken om een ​​belangrijk maatschappelijk probleem zoals ammoniakvervuiling op te lossen, het is belangrijk om uit te leggen hoe ammoniak wordt opgevangen door het poreuze netwerk in het polymeer. Dat betekent dat we een techniek moesten bedenken waarmee we precies kunnen achterhalen hoe de interactie tussen het polymeer en ammoniak plaatsvindt. Als u deze vraag met succes beantwoordt, zal ons in staat stellen om beter te begrijpen hoe deze of andere polymeren efficiënt kunnen zijn in multidisciplinaire domeinen, inclusief nanogeneeskunde en beschermende coatings. Als het wordt opgeschaald - wat geen eenvoudig proces is - kan dit een aanzienlijk positief effect hebben op de werkomgeving van veel mensen over de hele wereld."

Het polymeer vertoonde al in het begin verrassend goede eigenschappen

Universitair docent Jiwoong Lee bij de afdeling Chemie en Rodrigo Lima, voormalig postdoc aan het Niels Bohr Instituut, gesynthetiseerd 2 gram van het polymeer, wat niet veel lijkt, maar het is eigenlijk substantieel, aangezien de hoeveelheden waarmee chemici normaal gesproken werken slechts enkele milligrammen zijn. Na deze eerste stap, het team gebruikte veel verschillende technieken om het materiaal te karakteriseren. Universitair docent Jiwoong Lee legt uit, "Het syntheseproces omvat vaak het wassen van het materiaal met oplosmiddelen en het was een leuke verrassing om te beseffen dat het poreuze polymeer daadwerkelijk een deel van deze oplosmiddelen binnen hield. Dit was een indicatie van het vermogen van het materiaal om misschien andere verontreinigende stoffen op te vangen, zoals ammoniak."

De onderzoekers voerden experimenten uit in het ISIS Neutron and Muon Source-onderdeel van het STFC Rutherford Appleton Laboratory in het VK, waar de dynamiek van de waterstofbruggen werd onderzocht door neutronenverstrooiingsgegevens bij lage druk te verzamelen om ammoniak in het polymeer te krijgen. Neutronenverstrooiing is een techniek die kan beschrijven waar de atomen zich bevinden en tegelijkertijd kan beschrijven hoe de atomen in een materiaal bewegen. Daarna, Rodrigo Lima, voormalig postdoc aan het Niels Bohr Instituut, zette een experiment op in het thermische analyselaboratorium van het Niels Bohr Instituut en toonde aan dat ammoniak niet alleen werd afgevangen, maar gehecht aan de poreuze materialen. "Dit was een echte verrassing! Het polymeer bindt ammoniak zeer sterk, " hij zegt.

Het karakteriseren van het amorfe polymeer bleek een uitdaging op zich

"Om dit ogenschijnlijk sterke verband tussen het polymeer en de ammoniak te kunnen verklaren, we moesten de structuur van het polymeer weten. Maar aangezien dit specifieke polymeer amorf is, het is moeilijk om de structuur ervan volledig te karakteriseren. In zekere zin zou je kunnen zeggen dat we het vakje van het opvangen van de ammoniak hadden aangevinkt, maar we moesten nog uitleggen hoe dit gebeurt - en daarvoor hadden we een beter zicht op de structuur nodig, die onbereikbaar was. Nogal een dilemma om volledig succes te hebben in een deel van het project, en niet precies kunnen uitleggen waarom", legt Heloisa Bordallo uit.

De onderzoekers maakten verschillende combinaties van de polymeerbouwstenen en konden een spectra berekenen, met behulp van een computationele modelleringsmethode genaamd DFT, van een combinatie die het dichtst in de buurt kwam van de metingen in de echte steekproef. Dit, Tenslotte, stelde hen in staat om 'het vakje aan te vinken' om te interpreteren hoe het polymeer bindt.

"Er zijn talloze toepassingen voor een polymeer dat ammoniak opvangt, " legt Jiwoong Lee uit. "Het zou handig zijn in laboratoria, als coating voor maskers om te dragen voor persoonlijke veiligheid, aangezien ammoniak giftig en ook zeer corrosief is. Het kan worden gebruikt als filters, vermindering van de verspreiding van ammoniak die vrijkomt via de uitlaat van vele soorten industrie. Vooruit denken, het is mogelijk dat de polymeertechniek ook op andere soorten vervuilende stoffen kan worden toegepast."

Machine learning en kunstmatige intelligentie

Heloisa Bordallo wil machine learning toepassen op amorfe systemen. Voor dit experiment is zij en haar collega's maakten het experiment 'met de hand, ' bij wijze van spreken, maar het is misschien een meer haalbare manier om dit proces aan te pakken door machine learning en kunstmatige intelligentie te gebruiken. Het toepassen van deep learning-algoritmen kan helpen bij het nauwkeurig classificeren van amorfe materialen en bij het karakteriseren van hun structurele kenmerken. "Dan zullen we door machine learning te combineren met theoretische berekeningen in staat zijn om de neutronenverstrooiingsgegevens op een veel elegantere manier te analyseren, " ze zegt.