Nieuw computermodel legt de tot nu toe ongrijpbare atomaire structuur van materialen bloot

(01-02-2021)

Next-generation materiaalontwerp wordt steeds complexer om zo het hoofd te kunnen bieden aan de strenge industriële vereisten voor toepassingen in de chemische industrie, energieconversie en meer. Daardoor groeit ook de complexiteit van deze materialen op de atomaire schaal. Deze complexiteit maakt het enorm uitdagend om hun werkelijke structuur te identificeren, vooral omdat wetenschappers zelden een compleet overzicht hebben van alle atomaire structuren die überhaupt mogelijk zijn. Nieuw onderzoek van het Centrum voor Moleculaire Modelering (CMM) aan Universiteit Gent trekt alle registers open door alle mogelijke modellen te bouwen en ze via kwantummechanische berekeningen te rangschikken totdat er maar één enkel model overblijft voordat we zelf onze eerste gok gedaan hebben in dit ondoorgrondelijk spel van “Wie is het?”.

Eenvoudig uitgelegd

Beeld je in dat je de nieuwste ploegbaas bent in een bouwbedrijf dat focust op K’NEX-constructies… op de nanoschaal. Jouw voorganger is erin geslaagd een enorm complex K’NEX-ontwerp te maken maar is daarna opgestapt. Jouw taak is om dit ontwerp te verzilveren door richtlijnen op te stellen die uitleggen hoe de verschillende K’NEX-bouwblokken samen te voegen om zo deze veelbelovende constructie – en misschien zelfs meer succesvolle constructies – opnieuw te bouwen. Maar dat is gemakkelijker gezegd dan gedaan: je voorganger heeft zelf geen instructies achtergelaten, enkel een onscherpe foto van zijn succesvol ontwerp. Het enige waarop je je kan baseren is de wetenschap dat K’NEX-structuren modulair zijn en dus gevormd worden door kleine, individuele blokken te combineren. Maar, zelfs met een beperkt aantal type bouwblokken leidt dit snel tot een enorm aantal mogelijke combinaties. Hoe kan je proberen te achterhalen op welke manier je de bouwblokken moet combineren om net die revolutionaire K’NEX-structuur te ontwerpen?

Deze situatie is uiteraard fictief maar wel heel herkenbaar voor materiaalwetenschappers die modulaire materialen onderzoeken. Modulaire materialen worden opgebouwd door rigide bouwblokken samen te brengen in periodieke patronen op de nanoschaal. Hierdoor zijn ze enorm veelzijdig en kunnen ze verschillende technologische uitdagingen aangaan aangezien er specifieke bouwblokken en patronen zijn voor toepassingen in onder meer energieopslag, schokdempers, afvang van broeikasgassen en katalyse. Echter het enorme aantal mogelijkheden waarmee bouwblokken kunnen gecombineerd worden, maakt dat de karakterisering van de structuur van deze modulaire materialen meestal moeizaam gaat. Gelukkig hebben wetenschappers aan het Centrum voor Moleculaire Modellering (CMM) een protocol voorgesteld om deze uitdaging aan te gaan, dat nu gepubliceerd is in Angewandte Chemie.

Licht werpen op de structuur van de materialen… op de nanoschaal

Traditioneel maken wetenschappers een weloverwogen gok naar de correcte atomaire structuur van modulaire materialen gebaseerd op hoe het materiaal zich gedraagt en welke bouwblokken aanwezig kunnen zijn. Dit giswerk is meestal ambigu en gaat gepaard met een sterke voorkeur voor eerdere modellen. Daarom werd deze werkwijze in de nieuw gepubliceerde aanpak volledig omgedraaid. Deze nieuwe aanpak voegt in een computermodel eerst de verschillende bouwblokken samen in àlle mogelijke combinaties en dus àlle mogelijke structurele modellen. Dit elimineert de ambiguïteit van de initiële gok, en geeft aanleiding tot een makkelijk te gebruiken, systematische en betrouwbare workflow. Vervolgens worden alle modellen onderworpen aan kwantummechanische berekeningen om een accurate weergave te krijgen van de beweging van de atomen op de nanoschaal. Dit laat toe om de verschillende mogelijke modellen te vergelijken met experiment en ze te rangschikken.

Deze resultaten bieden perspectief voor de atomaire structuur van complexe materialen bloot te leggen en zo te begrijpen wat exact hun ontwerp zo revolutionair maakt. Met deze kennis kunnen materiaalwetenschappers nu nieuwe ontwerpprincipes vooropstellen om nog beter presterende next-gen materialen te bouwen, om zo een nieuw tijdperk in materiaal ontwerp in te luiden.