Çalışma, gözenekli malzemenin düzensiz gaz moleküllerini kristal benzeri bir yapıya dönüştürebileceğini öngörüyor

Küresel ısınmayla mücadele etmek için karbonu yakalamak veya hidrojeni depolamak, gazların sünger benzeri gözenekli malzemelere sıkıştırılmasını gerektirir. Şimdiye kadar gaz moleküllerinin gözenekler boyunca düzensiz bir şekilde adsorbe edildiği düşünülüyordu. Peki ya görünmez gaz molekülleri buz kristalleri ya da LEGO tuğlaları gibi düzenli bir şekilde sıralanabilseydi?

KAIST Kimya ve Biyomoleküler Mühendislik Bölümü’nden Profesör Jihan Kim liderliğindeki bir araştırma ekibi, metal-organik çerçevelerin (MOF’ler) büyük ölçekli taramasını makine öğrenimi destekli ters tasarımla birleştiren hesaplamalı bir çerçeve geliştirdi. Bulgular şu adreste yayınlanıyor: Doğa İletişimi.

Kristal benzeri bir gaz hali tasarlamak

Sınırlandırılmış gaz molekülleri tarafından oluşturulan kristal benzeri düzenli bir durum olan “gaz kafesine” odaklanan çerçeve, araştırmacıların çok çeşitli MOF yapılarını keşfetmesine ve istenen gaz düzenlemelerini stabilize edebilecek aday gözenekli malzemeler tasarlamasına olanak tanır.

Tek atomlu bir soy gaz olan ksenonu (Xe) model sistem olarak kullanan araştırma ekibi, ksenonu düzenli bir kafes içinde stabilize eden özel bir kobalt bazlı gözenekli malzeme (Co-CAU-36) belirledi. Bilgisayar simülasyonları (GCMC), bu malzemenin içindeki ksenonun rastgele yayılmadığını, bunun yerine iyi tanımlanmış, kristal benzeri bir düzenleme olan vücut merkezli kübik (BCC) bir kafes şeklinde sıralandığını doğruladı.

Bu bir çığır açıcıdır çünkü gözenek yapısı bir “şablon” olarak kullanılarak, normalde gerekli olan aşırı kütle basınçları olmadan gözenekler içerisinde gaz kristalizasyonu elde edilmiştir.

Ksenon ve kripton ayrıldı

Ekip, endüstriyel öneme sahip bir gaz karışımı olan ksenon (Xe) ve kriptonun (Kr) ayrılmasını incelediğinde de çarpıcı sonuçlar ortaya çıktı. Çerçevenin içinde, ksenon tercihen düzenli bir kabuk bölgesini işgal ederek kriptonu gözenek çekirdeğine doğru kaydırır; bu, daha önce bildirilmemiş bir ayırma davranışıdır.

Bu olgunun tesadüfen meydana gelmek yerine kasıtlı olarak tasarlanabileceğini göstermek için araştırmacılar, makine öğrenimini bir genetik algoritmayla birleştirdi ve BCC ve FCC benzeri kafesleri hedef alan aday gözenekli yapıları belirlemek için ters tasarım kullandı.

Adsorpsiyondan moleküler düzenlemeye

Bulgular, karbon yakalama ve ayırma, seçici katalitik reaksiyonlar ve gaz depolama dahil olmak üzere moleküler düzenlemenin hassas kontrolüne dayanan ileri enerji ve çevre teknolojilerinde uygulamalara sahip olabilir.

Profesör Jihan Kim, “Bu araştırma, gözenekli bir malzeme içinde kristal benzeri düzenli bir durum oluşturan bir gazın ilk gösterimidir” dedi. Çalışmanın öneminin, öncelikle gaz moleküllerinin düzenini bir tasarım hedefi olarak ele almaya yönelik adsorpsiyon kapasitesinin artırılmasına odaklanan geleneksel yaklaşımların ötesine geçmekte yattığını ekledi.

Kim, “Bu yaklaşım karbondioksit veya su gibi daha karmaşık molekülleri kapsayacak şekilde genişletilebilirse, gaz ayırma ve depolamaya yönelik özel malzemelerin tasarlanması için önemli bir başlangıç ​​noktası haline gelebilir” diye ekledi.

Younghun Kim ve Dohoon Kim, Ph.D. KAIST’in Kimya ve Biyomoleküler Mühendisliği Bölümü’ndeki adaylar ortak yazarlardır; yüksek lisans adayı Seungwoo Kim ve doktora öğrencisi Yunsung Lim ortak yazar olarak görev yapmaktadır.