Wetenschappers ontwikkelen een aanpak om de eigenschappen van nanomaterialen te voorspellen

Chemici aan de St. Petersburg University hebben big data-analysetechnieken gebruikt om de fotokatalytische eigenschappen van zinkoxide-nanosheets te voorspellen, dat wil zeggen een nanogestructureerd materiaal dat bestaat uit deeltjes in de vorm van dunne sheets. De studie was gericht op het oplossen van het probleem van afvalvrije afbraak van organische kleurstoffen, die veel worden gebruikt in zowel de verf- als de textielindustrie. De onderzoeksresultaten en uitkomsten kunnen ook worden toegepast op andere soortgelijke milieuproblemen.

De ontwikkeling van nieuwe materialen is een essentiële taak van de moderne wetenschap. Deze materialen kunnen de uitstoot van schadelijke stoffen in de biosfeer verminderen en de milieuvervuiling verminderen. De ontwikkeling van nieuwe materialen is een complex en arbeidsintensief proces. Het omvat verschillende fasen. Elke fase is ongelooflijk tijdrovend en de kans is groot dat deze niet het gewenste resultaat oplevert.

Chemici moeten eerst een materiaal synthetiseren; ten tweede, bestudeer de eigenschappen ervan; en test het ten slotte om te zien of het nieuwe materiaal een specifieke taak kan oplossen. Wetenschappers streven ernaar dit ontwikkelingsproces te vereenvoudigen en te versnellen. Toch moeten ze eerst begrijpen, nog voordat ze een stof synthetiseren, welke eigenschappen ze moeten ontwikkelen om de stof effectiever te maken voor het oplossen van een bepaald probleem.

Wetenschappers van de St. Petersburg University hebben een aanpak ontwikkeld om de fotokatalytische eigenschappen van zinkoxide-nanosheets te voorspellen. De aanpak opent brede perspectieven voor de ontwikkeling van nanomaterialen met interessante eigenschappen die bijvoorbeeld kunnen worden gebruikt om afvalwater van kleurstoffen te zuiveren. Het werk wordt gepubliceerd in het tijdschrift Toegepaste oppervlaktewetenschap.

De onderzoekers gebruikten zinkoxide-nanosheets als fotokatalysator, een materiaal dat onder zichtbaar licht organische kleurstoffen kan afbreken. Zinkoxide is niet giftig en eenvoudig te produceren. Deeltjes van nanoformaat hebben een groter oppervlak in vergelijking met een gewoon bulkmateriaal. Hierdoor verloopt de kleurstofafbraak sneller en efficiënter. Het is de overgang naar de nanoschaal die de unieke eigenschappen van veel stoffen onthult, inclusief defectgerelateerde eigenschappen.

“Stel je voor, je hebt een voltooide Rubiks kubus met alle kleuren correct op elkaar afgestemd. Stel je nu voor dat niet alleen de kleuren door elkaar zijn gehaald, maar dat sommige delen ook ontbreken. Maar hoe paradoxaal het ook mag klinken, het zijn deze defecten die verklaren veel interessante eigenschappen van halfgeleider nanomaterialen, waaronder die welke ons in staat stellen om zinkoxide nanosheets te gebruiken om milieuproblemen op te lossen, “zei Dmitry Tkachenko, een co-auteur van de studie, een laboratoriumassistent en onderzoeker bij de afdeling Algemene en Anorganische Chemie aan St. Universiteit van Petersburg.

Het onderzoek kende drie fasen. Ten eerste, het synthetiseren van zinkoxide-nanosheets en het beschrijven van hun eigenschappen; ten tweede, rekening houdend met het proces van kleurstofafbraak op moleculair niveau; en, ten derde, het ontwikkelen van een model voor het voorspellen van de efficiëntie van de fotokatalysator.

“Op dit moment is het nog niet duidelijk hoe we het aantal defecten (gemengde en ontbrekende kleuren in de Rubiks kubus) in nano-objecten kunnen reguleren en bepalen. In de loop van het werk was het echter niet alleen mogelijk om een manier vinden om het aantal van dergelijke defecten in nanosheets te reguleren, maar ook om een ​​originele benadering toe te passen om ze te voorspellen, “zei Olga Osmolovskaya, hoofd van de groep voor de synthese en studie van nanodeeltjes en nanogestructureerde materialen, universitair hoofddocent bij de afdeling Algemene en anorganische chemie aan de universiteit van St. Petersburg.

Als resultaat verkregen de chemici van de St. Petersburg University een reeks parameters die de structuur en eigenschappen van zinkoxide-nanosheets beschrijven.

“De overweging van fenomenen en processen in de chemie wordt vaak geassocieerd met een experiment in het laboratorium, waarvoor een bepaald niveau van apparatuur en vaardigheden vereist is. We stellen voor om computersimulatie te gebruiken, waarvoor geen speciale en dure apparatuur nodig is en die veel grotere mogelijkheden heeft en flexibiliteit’, legt Mikhail Voznesenskiy uit, de auteur van het computationele deel van de studie, universitair hoofddocent bij de afdeling Fysische Chemie aan de Universiteit van St. Petersburg.

Als gevolg hiervan selecteerden de wetenschappers uit de hele set parameters die met de grootste impact op de activiteit van de fotokatalysator.

“Zo hebben we een uniek model ontwikkeld om de efficiëntie van kleurstofafbraak in de aanwezigheid van zinkoxide-nanosheets te voorspellen. Nu kan elke wetenschapper, zonder een experiment uit te voeren, ontdekken hoe effectief een fotokatalysator met bepaalde parameters zal zijn. Dit, in beurt, opent volledig nieuwe kansen in de ontwikkeling van nanomaterialen met de eigenschappen die van belang zijn, “verklaarde Dmitry Kirsanov, de auteur van het chemometrische deel van de studie, professor aan de afdeling Analytische Chemie aan de Universiteit van St. Petersburg.