Onderzoek CMM grote stap voorwaarts in blootleggen atomaire geometrie next-gen materialen

Image: Ella Maru Studio (vergrote weergave)

Image: Ella Maru Studio

(11-02-2021) Het onderzoek van het CMM aan de UGent gebruikt kwantummechanische berekeningen in het ontwerp van next-generation materialen, wat een enorme doorbraak betekent in het kiezen van de correcte atomaire structuur voor modulaire materialen.

Next-generation materiaalontwerp wordt steeds complexer om blijvend 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 Modellering (CMM) aan de UGent trekt alle registers open door alle mogelijke modellen te bouwen en ze via kwantummechanische berekeningen te rangschikken tot er maar één enkel model overblijft. Dit betekent een enorme stap vooruit ten opzichte van het proces van de weloverwogen gok die materiaalontwerpers tot nu toe normaal gezien gebruikten om tot een correcte atomaire structuur van modulaire materialen te komen.

Enorme aantal mogelijkheden

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.

Álle modellen

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 álle mogelijke combinaties en dus álle 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 het experiment en ze te rangschikken.

Vooruitzichten

Eén van de meest uitdagende aspecten van deze aanpak is het experiment zo goed mogelijk nabootsen tijdens een computersimulatie. Bij kamertemperatuur, bijvoorbeeld, vertonen de atomen in het experimentele materiaal de neiging om veel dynamischer te zijn dan bij lagere temperaturen, en bewegen ze door het materiaal na verloop van tijd. Ook de kwantummechanische berekeningen moeten rekening houden met deze dynamica om de verschillende hypothetische modellen correct te rangschikken. De nieuw gepubliceerde procedure slaagt hierin en leidt daarom tot ongekende overeenkomsten tussen experimentele en theoretische diffractiepatronen. Dit geeft op zijn beurt vertrouwen dat op atomair niveau de correcte structuur van deze materialen gevonden is.

"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." (dr. Sven Rogge, CMM)

Technische info

Deze resultaten werden gepubliceerd in Angewandte Chemie voor de MOF2020WEB speciale collectie. Voor verdere info, contacteer:

Ir. Sander Borgmans & prof. dr. ir. Veronique Van Speybroeck
Centrum voor Moleculaire Modellering
Technologiepark 46, 9052 Zwijnaarde
E sander.borgmans@ugent.be / veronique.vanspeybroeck@ugent.be

M  +32 (0)478 36 01 87