Wissenschaftler verwenden Computermodellierung, um „ultrastabile“ Materialien zu entwerfen

Materialien, die als metallorganische Gerüste (MOFs) bekannt sind, haben eine starre, käfigartige Struktur, die sich für eine Vielzahl von Anwendungen anbietet, von der Gasspeicherung bis zur Arzneimittelabgabe. Durch Ändern der Bausteine, die in die Materialien einfließen, oder der Art und Weise, wie sie angeordnet sind, können Forscher MOFs entwerfen, die für unterschiedliche Anwendungen geeignet sind.

Allerdings sind nicht alle möglichen MOF-Strukturen stabil genug, um für Anwendungen wie die Katalyse von Reaktionen oder die Speicherung von Gasen eingesetzt zu werden. Um Forschern dabei zu helfen, herauszufinden, welche MOF-Strukturen für eine bestimmte Anwendung am besten geeignet sind, haben MIT-Forscher einen rechnerischen Ansatz entwickelt, mit dem sie vorhersagen können, welche Strukturen am stabilsten sein werden.

Mithilfe ihres Rechenmodells haben die Forscher etwa 10.000 mögliche MOF-Strukturen identifiziert, die sie als „ultrastabil“ einstufen, was sie zu guten Kandidaten für Anwendungen wie die Umwandlung von Methangas in Methanol macht.

„Wenn Menschen auf hypothetische MOF-Materialien kommen, wissen sie nicht unbedingt vorher, wie stabil dieses Material ist“, sagt Heather Kulik, außerordentliche Professorin für Chemie und Chemieingenieurwesen am MIT und leitende Autorin der Studie.

„Wir haben Daten und unsere Modelle für maschinelles Lernen verwendet, um Bausteine ​​zu entwickeln, von denen eine hohe Stabilität erwartet wurde, und als wir diese auf eine wesentlich vielfältigere Weise neu kombinierten, wurde unser Datensatz mit Materialien mit höherer Stabilität als jeder vorherige Satz angereichert von hypothetischen Materialien, die sich die Leute ausgedacht hatten.“

Die MIT-Studentin Aditya Nandy ist die Hauptautorin des Artikels, der heute in der Zeitschrift erscheint Gegenstand. Weitere Autoren sind MIT Postdoc Shuwen Yue, die Doktoranden Changhwan Oh und Gianmarco Terrones, Chenru Duan Ph.D. ’22, und Yongchul G. Chung, außerordentlicher Professor für Chemie- und Biomolekulartechnik an der Pusan ​​National University.

Modellierung von MOFs

Wissenschaftler interessieren sich für MOFs, weil sie eine poröse Struktur haben, die sie für Anwendungen mit Gasen gut geeignet macht, wie zum Beispiel Gasspeicherung, Trennung ähnlicher Gase voneinander oder Umwandlung eines Gases in ein anderes. Kürzlich haben Wissenschaftler auch damit begonnen, ihre Verwendung zur Abgabe von Medikamenten oder bildgebenden Mitteln im Körper zu untersuchen.

Die beiden Hauptbestandteile von MOFs sind sekundäre Baueinheiten – organische Moleküle, die Metallatome wie Zink oder Kupfer enthalten – und organische Moleküle, sogenannte Linker, die die sekundären Baueinheiten verbinden. Diese Teile können auf viele verschiedene Arten miteinander kombiniert werden, genau wie LEGO-Bausteine, sagt Kulik.

„Weil es so viele verschiedene Arten von LEGO-Blöcken und Möglichkeiten gibt, sie zusammenzubauen, führt dies zu einer kombinatorischen Explosion verschiedener möglicher metallorganischer Gerüstmaterialien“, sagt sie. „Sie können die Gesamtstruktur des metallorganischen Gerüsts wirklich kontrollieren, indem Sie auswählen und auswählen, wie Sie verschiedene Komponenten zusammenbauen.“

Derzeit ist der häufigste Weg, MOFs zu entwerfen, Trial-and-Error. In jüngerer Zeit haben Forscher damit begonnen, rechnergestützte Ansätze zum Entwerfen dieser Materialien auszuprobieren. Die meisten dieser Studien basieren auf Vorhersagen darüber, wie gut das Material für eine bestimmte Anwendung funktionieren wird, aber sie berücksichtigen nicht immer die Stabilität des resultierenden Materials.

„Ein wirklich gutes MOF-Material für die Katalyse oder für die Gasspeicherung hätte eine sehr offene Struktur, aber sobald man diese offene Struktur hat, kann es wirklich schwierig sein sicherzustellen, dass dieses Material auch bei Langzeitgebrauch stabil ist“, sagt Kulik .

In einer Studie aus dem Jahr 2021 berichtete Kulik über ein neues Modell, das sie erstellte, indem sie einige tausend Artikel über MOFs durchsuchte, um Daten über die Temperatur zu finden, bei der ein bestimmtes MOF zerfallen würde, und ob bestimmte MOFs den Bedingungen standhalten können, die zum Entfernen von Lösungsmitteln erforderlich sind Synthese ihnen. Sie trainierte das Computermodell, um diese beiden Merkmale – bekannt als thermische Stabilität und Aktivierungsstabilität – basierend auf der Struktur der Moleküle vorherzusagen.

In der neuen Studie verwendeten Kulik und ihre Studenten dieses Modell, um etwa 500 MOFs mit sehr hoher Stabilität zu identifizieren. Dann zerlegten sie diese MOFs in ihre häufigsten Bausteine ​​– 120 sekundäre Bausteine ​​und 16 Linker.

Durch die Neukombination dieser Bausteine ​​unter Verwendung von etwa 750 verschiedenen Arten von Architekturen, darunter viele, die normalerweise nicht in solchen Modellen enthalten sind, erzeugten die Forscher etwa 50.000 neue MOF-Strukturen.

„Eines der einzigartigen Dinge an unserem Set war, dass wir uns viel vielfältigere Kristallsymmetrien ansahen als je zuvor, aber [we did so] unter Verwendung dieser Bausteine, die nur aus experimentell synthetisierten hochstabilen MOFs stammen“, sagt Kulik.

Ultrastabilität

Die Forscher verwendeten dann ihre Computermodelle, um vorherzusagen, wie stabil jede dieser 50.000 Strukturen sein würde, und identifizierten etwa 10.000, die sie als ultrastabil erachteten, sowohl hinsichtlich der thermischen Stabilität als auch der Aktivierungsstabilität.

Sie untersuchten die Strukturen auch auf ihre „lieferbare Kapazität“ – ein Maß für die Fähigkeit eines Materials, Gase zu speichern und freizusetzen. Für diese Analyse verwendeten die Forscher Methangas, da das Auffangen von Methan nützlich sein könnte, um es aus der Atmosphäre zu entfernen oder es in Methanol umzuwandeln. Sie fanden heraus, dass die 10.000 ultrastabilen Materialien, die sie identifizierten, gute Lieferkapazitäten für Methan aufwiesen und auch mechanisch stabil waren, gemessen an ihrem vorhergesagten Elastizitätsmodul.

„Das Entwerfen eines MOF erfordert die Berücksichtigung vieler Arten von Stabilität, aber unsere Modelle ermöglichen eine nahezu kostenneutrale Vorhersage der thermischen und Aktivierungsstabilität“, sagt Nandy. „Indem wir auch die mechanische Stabilität dieser Materialien verstehen, bieten wir eine neue Möglichkeit, vielversprechende Materialien zu identifizieren.“

Die Forscher identifizierten auch bestimmte Bausteine, die tendenziell stabilere Materialien erzeugen. Einer der stabilsten Sekundärbausteine ​​war ein Molekül, das Gadolinium, ein Seltenerdmetall, enthält. Ein anderes war ein kobalthaltiges Porphyrin – ein großes organisches Molekül aus vier miteinander verbundenen Ringen.

Studenten in Kuliks Labor arbeiten nun daran, einige dieser MOF-Strukturen zu synthetisieren und sie im Labor auf ihre Stabilität und potenzielle katalytische Fähigkeit und Fähigkeit zur Gastrennung zu testen. Die Forscher haben auch ihre Datenbank mit ultrastabilen Materialien für Forscher zur Verfügung gestellt, die daran interessiert sind, sie für ihre eigenen wissenschaftlichen Anwendungen zu testen.

Diese Geschichte wurde mit freundlicher Genehmigung von MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), eine beliebte Website, die Neuigkeiten über MIT-Forschung, -Innovation und -Lehre enthält.