Материалы, классифицируемые как «нанопористые», имеют структуры (или «каркасы») с порами до 100 нм в диаметре. К ним относятся различные материалы, используемые в различных областях, от разделения газов, катализа и даже медицины (например, активированный уголь). Характеристики нанопористых материалов зависят как от их химического состава, так и от формы их пор, но последнее очень трудно определить количественно. До сих пор химики полагаются на визуальный осмотр, чтобы увидеть, имеют ли два материала одинаковые поры. Ученые EPFL в рамках проекта NCCR-MARVEL разработали инновационный математический метод, который позволяет компьютеру количественно определять сходство структур пор. Метод позволяет осуществлять поиск в базах данных с сотнями тысяч нанопористых материалов для обнаружения новых материалов с правильной структурой пор. Работа опубликована в Nature Communications.
Поиск нанопористых материалов
Нанопористые материалы составляют широкую категорию и могут сильно различаться по своему химическому составу. Объединяет их наличие наноразмерных пор в их трехмерной структуре, что наделяет их каталитическими и абсорбционными свойствами. Эти поры могут иметь размер от 0,2 до 1000 нанометров, а их размер и форма (их «геометрия») могут иметь решающее влияние на свойства материала. На самом деле, форма пор является таким же важным предсказателем производительности, как и химический состав.
Сегодня компьютеры могут создавать большие базы данных потенциальных материалов и определять, прежде чем их синтезировать, какие материалы лучше всего подходят для данного приложения. Но их химия настолько универсальна, что количество возможных новых материалов почти не ограничено, а у нас нет метода количественной оценки и сравнения сходства геометрии пор. Все это означает, что поиск лучшего нанопористого материала для любого конкретного применения является сложной задачей.
Математика в помощь
Новый метод, разработанный в сотрудничестве лабораторий Беренда Смита и Кэтрин Хесс Беллвальд в EPFL, использует технику прикладной математики, называемую «постоянной гомологией». Этот метод позволяет количественно определить геометрическое сходство пористых структур, применяя математические инструменты, которые обычно используются Facebook и другими пользователями для поиска похожих лиц на загружаемых фотографиях.
Метод постоянной гомологии создает «отпечатки пальцев», представленные штрих-кодами, которые характеризуют форму пор каждого материала в базе данных. Затем эти отпечатки пальцев сравниваются, чтобы вычислить, насколько похожи формы пор двух материалов. Это означает, что этот подход можно использовать для проверки баз данных и выявления материалов с похожей структурой пор.
Ученые EPFL показывают, что новый метод эффективен при идентификации материалов с похожей геометрией пор. Одним из классов нанопористых материалов, которые выиграют от этого нововведения, являются цеолиты и металлоорганические каркасы (MOF), применение которых варьируется от разделения и хранения газов до катализа.
В качестве примера ученые использовали хранение метана - важный аспект возобновляемых источников энергии. Новый метод показал, что можно найти нанопористые материалы, которые по своим характеристикам не уступают известным наиболее эффективным материалам, путем поиска в базах данных похожих форм пор..
Наоборот, исследование показывает, что формы пор лучших материалов можно разделить на топологически различные классы, и что материалы из каждого класса требуют своей стратегии оптимизации.
«У нас есть база данных, содержащая более 3 000 000 нанопористых материалов, поэтому о поиске подобных структур посредством визуального осмотра не может быть и речи», - говорит Беренд Смит. «На самом деле, просматривая литературу, мы обнаружили, что авторы часто не понимают, когда новый MOF имеет ту же структуру пор, что и другой. Поэтому нам действительно нужен вычислительный метод. Однако, хотя люди интуитивно хорошо распознают формы как одинаковые или разные, нам нужно было работать с математическим отделом EPFL, чтобы разработать формализм, который может научить этому навыку компьютер».
«В области алгебраической топологии математики сформулировали теорию гомологии постоянства в любом измерении», - говорит Кэтрин Хесс. «Предыдущие приложения использовали только первые два из этих измерений, поэтому очень здорово, что инженеры-химики из EPFL открыли важное приложение, для которого также требуется третье измерение».