Wissenschaftler entwerfen mithilfe von Computermodellen "ultrastabile" Materialien
Diese hochstabilen metallorganischen Gerüste könnten für Anwendungen wie die Abscheidung von Treibhausgasen nützlich sein
Materialien, die als metallorganische Gerüste (MOFs) bekannt sind, haben eine starre, käfigartige Struktur, die sich für eine Vielzahl von Anwendungen eignet, von der Gasspeicherung bis zur Verabreichung von Medikamenten. Durch Änderung der Bausteine, aus denen die Materialien bestehen, oder der Art und Weise, wie sie angeordnet sind, können Forscher MOFs für verschiedene Anwendungen entwickeln.
Symbolbild
Computer-generated image
Allerdings sind nicht alle möglichen MOF-Strukturen stabil genug, um für Anwendungen wie die Katalyse von Reaktionen oder die Speicherung von Gasen eingesetzt werden zu können. Um herauszufinden, welche MOF-Strukturen für eine bestimmte Anwendung am besten geeignet sind, haben MIT-Forscher einen rechnerischen Ansatz entwickelt, mit dem sie vorhersagen können, welche Strukturen am stabilsten sein werden.
Mithilfe ihres Rechenmodells haben die Forscher etwa 10.000 mögliche MOF-Strukturen identifiziert, die sie als "ultrastabil" einstufen und die damit gute Kandidaten für Anwendungen wie die Umwandlung von Methangas in Methanol sind.
"Wenn man sich hypothetische MOF-Materialien ausdenkt, weiß man vorher nicht unbedingt, wie stabil das Material ist", sagt Heather Kulik, außerordentliche Professorin für Chemie und Chemieingenieurwesen am MIT und Hauptautorin der Studie. "Wir nutzten Daten und unsere Machine-Learning-Modelle, um Bausteine zu finden, von denen wir eine hohe Stabilität erwarteten. Als wir diese Bausteine in einer Weise rekombinierten, die wesentlich vielfältiger war, wurde unser Datensatz mit Materialien angereichert, die eine höhere Stabilität aufwiesen als alle vorherigen hypothetischen Materialien, die man sich ausgedacht hatte.
Der MIT-Absolvent Aditya Nandy ist der Hauptautor der Studie, die in der Zeitschrift Matter veröffentlicht wurde. Weitere Autoren sind der MIT-Postdoktorand Shuwen Yue, die Doktoranden Changhwan Oh und Gianmarco Terrones, Chenru Duan, PhD '22, und Yongchul G. Chung, außerordentlicher Professor für Chemie- und Biomolekulartechnik an der Pusan National University.
Modellierung von MOFs
Wissenschaftler interessieren sich für MOFs, weil sie aufgrund ihrer porösen Struktur gut für Anwendungen mit Gasen geeignet sind, z. B. für die Gasspeicherung, die Trennung ähnlicher Gase voneinander oder die Umwandlung eines Gases in ein anderes. In jüngster Zeit haben Wissenschaftler auch damit begonnen, den Einsatz von MOFs für die Verabreichung von Medikamenten oder bildgebenden Verfahren im Körper zu untersuchen.
Die beiden Hauptbestandteile von MOFs sind sekundäre Bausteine - organische Moleküle, die Metallatome wie Zink oder Kupfer enthalten - und organische Moleküle, sogenannte Linker, die die sekundären Bausteine miteinander verbinden. Diese Teile können auf viele verschiedene Arten miteinander kombiniert werden, ähnlich wie LEGO-Bausteine, sagt Kulik.
"Da es so viele verschiedene Arten von LEGO-Bausteinen gibt und wie man sie zusammensetzen kann, ergibt sich eine kombinatorische Explosion verschiedener möglicher metallorganischer Gerüstmaterialien", sagt sie. "Man kann die Gesamtstruktur des metallorganischen Gerüsts wirklich kontrollieren, indem man auswählt, wie man die verschiedenen Komponenten zusammensetzt.
Derzeit werden MOFs in der Regel durch Versuch und Irrtum entwickelt. In jüngster Zeit haben die Forscher begonnen, rechnerische Ansätze für die Gestaltung dieser Materialien zu erproben. Die meisten dieser Studien beruhen auf Vorhersagen darüber, wie gut das Material für eine bestimmte Anwendung geeignet ist, aber sie berücksichtigen nicht immer die Stabilität des resultierenden Materials.
"Ein wirklich gutes MOF-Material für die Katalyse oder die Gasspeicherung hätte eine sehr offene Struktur, aber sobald man diese offene Struktur hat, kann es sehr schwierig sein, sicherzustellen, dass das Material auch bei langfristiger Verwendung stabil ist", sagt Kulik.
In einer Studie aus dem Jahr 2021 berichtete Kulik über ein neues Modell, das sie erstellt hat, indem sie einige Tausend Veröffentlichungen über MOFs durchforstete, um Daten über die Temperatur zu finden, bei der ein bestimmtes MOF zusammenbrechen würde, und darüber, ob bestimmte MOFs den Bedingungen standhalten, die für die Entfernung der zur Synthese verwendeten Lösungsmittel erforderlich sind. Sie trainierte das Computermodell so, dass es diese beiden Merkmale - bekannt als thermische Stabilität und Aktivierungsstabilität - auf der Grundlage der Struktur der Moleküle vorhersagen konnte.
In der neuen Studie verwendeten Kulik und ihre Studenten dieses Modell, um etwa 500 MOFs mit sehr hoher Stabilität zu identifizieren. Dann zerlegten sie diese MOFs in ihre häufigsten Bausteine - 120 sekundäre Bausteine und 16 Linker.
Durch die Neukombination dieser Bausteine unter Verwendung von etwa 750 verschiedenen Arten von Architekturen, darunter viele, die normalerweise nicht in solchen Modellen enthalten sind, generierten die Forscher etwa 50.000 neue MOF-Strukturen.
"Das Einzigartige an unserem Satz war, dass wir sehr viel mehr verschiedene Kristallsymmetrien untersuchten als jemals zuvor, aber [wir taten dies] unter Verwendung dieser Bausteine, die nur von experimentell synthetisierten hochstabilen MOFs stammten", sagt Kulik.
Ultrastabilität
Die Forscher nutzten dann ihre Berechnungsmodelle, um vorherzusagen, wie stabil jede dieser 50.000 Strukturen sein würde, und identifizierten etwa 10.000, die sie als ultrastabil einstuften, sowohl hinsichtlich der thermischen Stabilität als auch der Aktivierungsstabilität.
Außerdem untersuchten sie die Strukturen auf ihre "Lieferkapazität" - ein Maß für die Fähigkeit eines Materials, Gase zu speichern und abzugeben. Für diese Analyse verwendeten die Forscher Methangas, da die Speicherung von Methan nützlich sein könnte, um es aus der Atmosphäre zu entfernen oder es in Methanol umzuwandeln. Sie fanden heraus, dass die 10.000 von ihnen identifizierten ultrastabilen Materialien eine gute Kapazität zur Speicherung von Methan haben und auch mechanisch stabil sind, gemessen an ihrem vorhergesagten Elastizitätsmodul.
"Bei der Entwicklung eines MOF müssen viele Stabilitätsarten berücksichtigt werden, aber unsere Modelle ermöglichen es, die thermische Stabilität und die Aktivierungsstabilität mit nahezu null Aufwand vorherzusagen", sagt Nandy. "Indem wir auch die mechanische Stabilität dieser Materialien verstehen, bieten wir einen neuen Weg zur Identifizierung vielversprechender Materialien."
Die Forscher identifizierten auch bestimmte Bausteine, die tendenziell stabilere Materialien ergeben. Einer der sekundären Bausteine mit der besten Stabilität war ein Molekül, das Gadolinium, ein Seltenerdmetall, enthält. Ein anderes war ein kobalthaltiges Porphyrin - ein großes organisches Molekül, das aus vier miteinander verbundenen Ringen besteht.
Die Studenten in Kuliks Labor arbeiten nun daran, einige dieser MOF-Strukturen zu synthetisieren und sie im Labor auf ihre Stabilität und ihre potenziellen katalytischen Fähigkeiten sowie ihre Fähigkeit zur Gastrennung zu testen. Die Forscher haben ihre Datenbank mit ultrastabilen Materialien auch Forschern zur Verfügung gestellt, die sie für ihre eigenen wissenschaftlichen Anwendungen testen möchten.
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