De geheimen van zoutkristalvorming ontgrendelen op de nanoschaal

In de natuur en technologie speelt kristallisatie een cruciale rol, van het vormen van sneeuwvlokken en farmaceutische producten tot het creëren van geavanceerde batterijen en ontziltingsmembranen. Ondanks het belang ervan wordt kristallisatie op het nanoschaal slecht begrepen, vooral omdat het rechtstreeks op deze schaal om het proces te observeren, uitzonderlijk uitdagend is. Mijn onderzoek overwon deze hindernis door state-of-the-art computationele methoden te gebruiken, waardoor ze in ongekende details atomaire interacties kunnen visualiseren.

Gepubliceerd in Chemische wetenschapMijn onderzoek heeft nieuwe details ontdekt over hoe zoutkristallen zich vormen in kleine ruimtes in de nanometer, die de weg kunnen effenen voor geavanceerde materialen en verbeterde elektrochemische technologieën.

Dit onderzoek gebruikte geavanceerde moleculaire dynamica-simulaties verbeterd door geavanceerde technieken voor het leren van machines om te bestuderen hoe natriumchloride (NaCl), gemeenschappelijk tafelzout, kristalliseert wanneer ze worden beperkt tussen twee grafeenplaten gescheiden door slechts een paar miljardste van een meter. Deze extreme omstandigheden, bekend als nanoschauffeur, veranderen drastisch hoe moleculen zich gedragen in vergelijking met bulk, alledaagse omstandigheden.

Inzicht in hoe kristallisatie optreedt in nano-gecontineerde ruimtes opent de deur naar precieze controle over kristalstructuren en eigenschappen. Deze bevindingen kunnen leiden tot revolutionaire vooruitgang in nanotechnologie, energiematerialen en chemische engineering.

De studie onthulde verschillende opmerkelijke bevindingen. Het meest opvallend is dat ik heb opgemerkt dat opsluiting in het algemeen de vaste zoutkristallen stabieler maakt en hun smeltpunten aanzienlijk verhoogt, vergeleken met zout in bulkwater. Deze stabiliteit hing ingewikkeld af van de exacte afstand tussen de grafeenplaten. Bij sommige opsluitingsniveaus kwamen ongewone kristalstructuren naar voren, waaronder gehydrateerde vormen van zout typisch alleen stabiel bij veel lagere temperaturen.

Verdere analyse met behulp van geavanceerde machine learning benaderingen gaven inzicht in de drijvende krachten achter dit ongebruikelijke kristallisatiegedrag. Het team gebruikte staat voorspellende informatie Knelpunt en thermodynamisch verklaarbare representaties van AI en andere black-box paradigma’s-technieken om kritische reactieroutes te bepalen, waardoor de moleculaire determinanten essentieel zijn voor kristalvorming onder opsluiting.

De simulaties toonden aan dat het proces van kristallisatie onder deze nanocondities zorgvuldig georkestreerde interacties tussen ionen, watermoleculen en hun opsluitingoppervlakken omvat. Cruciaal is dat het team identificeerde dat de verwijdering van watermoleculen direct rondom ionen, met name chloride -ionen, een cruciale rol speelde. Deze waterverwijdering, in combinatie met uniek diëlektrisch gedrag onder extreme opsluiting, versterkte de Coulomb -krachten tussen ionen, wat de vorming van vaste zoutstructuren bevordert.

Dit fundamentele onderzoek heeft verstrekkende implicaties. Door precies de omstandigheden te begrijpen die de voorkeur geven aan specifieke kristalstructuren, kunnen wetenschappers processen beter beheersen die cruciaal zijn voor geavanceerde technologische toepassingen. Verbeterde kennis van nano-gecontineerde kristallisatiemechanismen kan bijvoorbeeld de efficiëntie en stabiliteit van elektrochemische energieopslagapparaten verbeteren of leiden tot betere strategieën in waterzuivering door geavanceerde ontziltingsmembranen.

Bovendien introduceerde de studie een generiek computationeel raamwerk dat verbeterde bemonsteringsmoleculaire dynamiek en analyse van machine learning combineert, die op nanoschaal op nanoschaal in grote lijnen kunnen worden toegepast. Deze methode heeft een groot potentieel om nieuw gedrag te ontdekken in beperkte systemen die centraal staan ​​in verschillende gebieden, waaronder energieopslag, katalyse en farmaceutische productie.

Dit verhaal maakt deel uit van Science x dialoogvensterwaar onderzoekers bevindingen kunnen rapporteren uit hun gepubliceerde onderzoeksartikelen. Bezoek deze pagina Voor informatie over het dialoogvenster Wetenschap X en hoe u kunt deelnemen.