Neue Computermethode zur Vorhersage der komplexen Bildung interessanter Nanostrukturen

Forscher der Gruppe von Prof. Carles Bo am Institut für chemische Forschung von Katalonien (ICIQ-CERCA) haben eine Computermethode beschrieben, die komplexe Prozesse mit verschiedenen chemischen Spezies und unterschiedlichen Bedingungen simuliert. Diese Prozesse führen zur Bildung von Nanostrukturen, sogenannten Polyoxometallaten (POMs), die wichtige Anwendungen in der Katalyse, Energiespeicherung, Biologie und Medizin haben.

Das Werk erscheint in Chemische Wissenschaft.

„Unsere Gruppe hat vor kurzem einzigartige Methoden entwickelt, um die Chemie von Polyoxometallaten in Lösung sowie deren Speziation und Bildungsmechanismen zu untersuchen. Diese Forschung hat das Potenzial, die experimentellen Bedingungen zu entdecken, die zur Herstellung neuer Materialien erforderlich sind“, erklärt Prof. Bo.

Vielseitige POMs

POMs sind eine besondere Familie von Nanostrukturen, die aus Übergangsmetallatomen bestehen, die durch Sauerstoff verbunden sind und eine breite Palette wohldefinierter Strukturen unterschiedlicher Größe und Form bilden. Diese Nanostrukturen entstehen durch Selbstorganisationsprozesse einfacher Metalloxide und sind von verschiedenen Faktoren abhängig, wie etwa pH-Wert, Temperatur, Druck, Gesamtmetallkonzentration, Ionenkraft und Vorhandensein von Reduktionsmitteln und Gegenionen. Die Summe all dieser Bedingungen erschwert die Kontrolle ihrer Synthese.

Forscher können nun die Wirkung dieser Faktoren und die geeigneten Bedingungen zur Herstellung einer bestimmten POM-Art vorhersagen. Dazu verwenden sie statistische Methoden, die eine effiziente und skalierbare Verarbeitung zahlreicher Speziationsmodelle und ihrer entsprechenden Systeme nichtlinearer Gleichungen ermöglichen. Dies ist wichtig, da die erste wichtige Anwendung dieser Nanostrukturen mit der Katalyse zusammenhängt, bei der POM bekanntermaßen mehrere wichtige Reaktionen beschleunigen. Mithilfe dieser Simulationen ist es beispielsweise möglich, die geeigneten Bedingungen zu beschreiben, die zur Herstellung einer POM-Art führen, die für die Katalyse der CO2-Fixierung verantwortlich ist.

POM Simulator

Die Gruppe von Prof. Bo hat ein Open-Source-Softwarepaket namens POMSimulator vorgestellt, das dabei hilft, die Bildungsmechanismen von POMs zu verstehen. Mit der Veröffentlichung einer öffentlichen Version des Codes wollen die Forscher ein Werkzeug bereitstellen, das die Entdeckung neuer POMs ergänzt. Darüber hinaus bedeutet die Verfügbarkeit einer zugänglichen Version des Codes, dass andere Forscher den Quellcode nach ihren Bedürfnissen ändern können.

Bei der jetzt vorgestellten Methodik handelt es sich um eine robustere Version dieses POMSimulators, die neue und wertvolle Einblicke in die Verteilung von Arten unter verschiedenen chemischen Bedingungen liefert und so das Wissen über die Artbildung komplexer Systeme bereichert.

„Im Zeitalter von Big Data, maschinellem Lernen und künstlicher Intelligenz ist es von entscheidender Bedeutung, jede Information zu nutzen, die uns zur Verfügung steht. Unsere Arbeit hat POMSimulator auf die nächste Ebene der Datennutzung gebracht“, sagte Jordi Buils, Erstautor dieser Arbeit und Doktorand in der Gruppe von Prof. Bo.