برنامه کار جدید برای درک، پیش بینی و بهینه سازی نانوذرات پیچیده

طرح جدید برای درک، پیش بینی و بهینه سازی نانوذرات پیچیده
 

 
توضیح تصویر: نانو ذره چند ساختاری چهار فازه با شش میان فاز
 
محققان دانشگاه نورث وسترن یک طرح برای درک و پیش بینی خواص و رفتار نانو ذرات پیچیده و بهینه سازی استفاده از آنها برای طیف وسیعی از برنامه های علمی ایجاد کرده اند. این طرح شامل کاتالیز، اپتو الکترونیک، ترانزیستور، تصویربرداری زیستی، و ذخیره و تبدیل انرژی است.
 
یافته های تحقیق اخیر موفق به ایجاد سنتز یا ساخت یک طیف گسترده از ساختارهای نانو ذرات چند عنصری با هشت عنصر مختلف شده اند. با این حال، هنوز درک محدودی وجود دارد از چگونگی تأثیر ترتیب فازها در این سازه ها بر خواص آنها و این که چگونه رابط های خاص (سطح مشترک بین سازه های مرزی، که چند ساختاری‌ها نامیده می شود) می تواند به طور مطلوب طراحی شده و سنتز شود.
 
چاد A. Mirkin، استاد جرج دبلیو Rathmann استاد شیمی در کالج هنر و علوم وینبرگ و مدیر موسسه بین المللی نانوتکنولوژی در نورث وسترن، که این پژوهش را رهبری کرد، گفت: " چون که فضای ترکیبی مخلوطها، با میلیاردها امکان، تقریباً بی نهایت است، پیش بینی و درک این که چگونه کلاس های خاصی از رابط ها را می توان در یک ذره ایجاد کرد، برای طراحی نانو ساختارهای جدید و کاربردی و در نهایت، بهینه سازی خواص آنها برای برنامه های مختلف علمی بسیار مهم است."
 
در این تحقیق، محققان، برای ساخت یک کتابخانه جدید از نانو ذرات چند ساختاری چند عنصری حاوی تا هفت فلز مختلف، از لیتوگرافی کوپلیمر بلوک پروب اسکن (SPBCL)، اختراع شده و توسعه یافته در Northwestern توسط Mirkin استفاده کردند.
 
این تحقیق در شماره 1 مارس مجله Science منتشر خواهد شد. ما از ابزارهای محاسباتی مانند نظریه کارکردی چگالی برای محاسبه انرژی بین فازی موجود بین فازها و همچنین انرژی های سطحی استفاده کردیم و آنها را با انرژی کلی نانو ذرات ترکیب کردیم
 
کریس والترتون، و جروم ب. کوهن استاد علوم و مهندسی مواد در دانشکده مهندسی McCormick Northwestern گفتند: "ما از ابزارهای محاسباتی مانند نظریه کارکردی چگالی برای محاسبه انرژی بین فازی موجود بین فازها و همچنین انرژی های سطحی استفاده کردیم و آنها را با انرژی کلی نانو ذرات ترکیب کردیم." "آنچه که ما متوجه شدیم این است که مورفولوژی های مشاهده شده انرژی های محاسبه شده را به حداقل می رسانند. در نتیجه اکنون ابزار برای پیش بینی و درک این نوع ترتیبات فاز در نانوذرات وجود دارد."
 
Vinayak Dravid، نویسنده همکار، گفت: "مشارکت ما، سنتز انواع مختلف رابط را مقدور می سازد، و یک زمینه چندگانه برای سیاحت خواص آنها و پدیده هایی مثل کاتالیزورهای جدید و نانوساختار نوری، برای اهداف مفید را فراهم می کند." او استاد علوم و مهندسی مواد و مدیر مرکز تجربیات تشخیص اتمی و نانومقیاس (NUANCE) در Northwestern است.
 

 

توضیح تصویر: اولین گام در سنتز نانو ذرات با استفاده از لیتوگرافی کوپلیمر بلوک پروب اسکن، که بخشی از یک رویکرد جدید برای ایجاد کاتالیزورهای مهم جدید برای کمک به تبدیل و ذخیره سازی انرژی پاک است. اعتبار: دانشگاه Northwestern

محققان دانشگاه نورث وسترن یک رویکرد جدید برای ایجاد کاتالیزورهای مهم جدید برای کمک به تبدیل و ذخیره سازی انرژی پاک پیدا کرده اند. روش طراحی همچنین دارای قابلیت بالقوه برای کشف مواد جدید نوری و مواد ذخیره داده است، که کاتالیزورهایی هستند که اثر سنتز دارویی و کاتالیزورها را تحت تاثیر قرار می دهند که باعث می شود پردازش بیشتر محصولات فرآوری شده با هزینه های بسیار پایین تر انجام شود.
 
دانشمندان به طور مداوم به دنبال مواد جدید برای تحریک (تسریع) واکنش های شیمیایی و فرآیندهای مورد نیاز برای ایجاد طیف وسیعی از محصولات هستند. شناسایی و ایجاد یک کاتالیزور پیچیده است، به خصوص چون که تعداد بالقوه مواد، که توسط ترکیب و اندازه و شکل ذرات تعریف شده است، بسیار زیاد است.
 محققان دانشگاه نورث وسترن یک رویکرد جدید برای ایجاد کاتالیزورهای مهم جدید برای کمک به تبدیل و ذخیره سازی انرژی پاک پیدا کرده اند.
در این مطالعه، محققان چالشهای بهبود قابلیت مقرون به صرفه بودن و بهره وری کاتالیزور در تبدیل و ذخیره انرژی پاک را مورد بررسی قرار دادند. در حال حاضر، کاتالیزورهای پلاتین (Pt) موثرترین هستند و معمولا برای تسهیل واکنش تکامل هیدروژن (HER) استفاده می شوند، که تا حدودی پایه ای است برای درک این که چگونه از سلول های سوخت برای تولید انرژی استفاده شود. با این حال، چون پلاتین نادر و پر هزینه است، دانشمندان به دنبال جایگزینی ارزان تر و کارآمد هستند.
 
چاد A. Mirkin، جرج B. Rathmann استاد شیمی در کالج هنر و علوم Weinberg و مدیر موسسه بین المللی فناوری نانو در Northwestern گفت: "ما تئوری، یک ابزار جدید قدرتمند برای سنتز نانو ذرات، و بیش از یک عنصر فلزی – که در این مورد آلیاژی متشکل از پلاتین، مس و طلا بود – را برای ایجاد کاتالیزوری که هفت برابر فعالتر از جدیدترین پلاتین تجاری بود را با هم ترکیب کردیم."
 
به طور خاص، محققان از لایتوگرافی کوپلیمر بلوک پروب اسکن (SPBCL) همراه با کدهای تابع چگالی کارکرد (DFT) برای طراحی و ساخت سنتز کاتالیزور HER. SPBCL در آزمایشگاه Mirkin در Northwestern استفاده کردند.
 
وول ورتون گفت: "علاوه بر ارائه روش جدید برای کاتالیزوری واکنش HER، مقاله روش جدیدی را برای ساخت و کشف کاتالیزورهای ذرات جدید برای تقریبا هر فرایند صنعتی مهم به کار می گیرد."
 
این ممکن است شامل ارائه مسیر روشن باشد به ابررساناهای با درجه حرارت، سازه های مفید در ذخیره سازی داده ها، مواد نانوساختاری تبدیل انرژی خورشیدی برای نور دادن به اطراف در کوچکترین مقیاس، و کاتالیزورهای جدید برای تبدیل مواد شیمیایی با ارزش (مقرون به صرفه) به محصولات با ارزش بالا مثلاً در داروسازی و پیش دارنده های دارویی.
 
شناسایی مواد جدید برای پیش راندن توسعه فناوری ضروری است. طبق گزارش Grand View Research، Inc. انتظار می رود که بازار کاتالیزورهای جهان در شش سال آینده به 34.3 میلیارد دلار برسد.
 
کانگ گفت، "برای پیدا کردن مواد با بهترین کیفیت در هر کاربردی که مورد توجه قرار می گیرد، ما باید راه هایی را برای کاهش تعداد فرصت هایی که مورد مطالعه قرار می گیرد شناسایی کنیم و میزان آن را افزایش دهیم."
 
Mirkin می گوید: "این ترکیب نظریه و سنتز ذرات نانو مقیاس شروع به درگیر شدن در آن چالش کرده است."
 
برگرفته از سایت فیز اُرگ

مترجم: علی رضایی میر قائد