Ett team av energiforskare från University of Minnesota och University of Massachusetts Amherst har upptäckt att molekylär rörelse kan förutsägas med hög noggrannhet när molekyler begränsas i små nanocages. Deras teoretiska metod är lämplig för att screena miljontals möjliga nanomaterial och skulle kunna förbättra produktionen av bränslen och kemikalier.

Forskningen publiceras online i ACS Central Science , en ledande tidskrift med öppen tillgång från American Chemical Society.

Molekyler i luften är fria att röra sig, vibrera och tumla, men begränsa dem i små nanorör eller håligheter och de tappar mycket rörelse. Den totala förlusten i rörelse har stora konsekvenser för förmågan att fånga upp CO2 från luften, omvandla biomassamolekyler till biobränslen, eller för att separera naturgas, som alla använder nanomaterial med små rör och porer.

Forskare från Catalysis Center for Energy Innovation med huvudkontor vid University of Delaware nådde sitt genombrott när de funderade på att klämma in molekyler i trånga utrymmen. I luften, molekyler kan röra sig uppåt, ner, och ut i rymden (tre dimensioner), men i ett nanorör var det inte klart om molekyler bara kan röra sig i en riktning (genom röret) eller två riktningar (på ytan av röret). Liknande, molekyler kan rotera och snurra på tre sätt, men rörkanterna kan förhindra en del eller hela denna rörelse. Mängden förlorad rotation var den okända kvantiteten.

"Vårt tillvägagångssätt var att skilja ut molekylär tumling och rotation från rörelse i position, sa Omar Abdelrahman, en medförfattare till studien som är biträdande professor i kemiteknik vid University of Massachusetts Amherst och forskare i Catalysis Center for Energy Innovation. "Vi upptäckte att alla molekyler när de placeras i nanoburar förlorar lika mycket rörelse i position, men mängden roterande och snurrande berodde mycket på strukturen av nano-buren".

Teamet kopplade molekylär rörelse till mängden entropi, som kombinerar alla aspekter av molekylär rörelse till ett enda tal. Molekyler förlorar olika mycket entropi när de kommer åt insidan av nanoporösa utrymmen, men det har inte varit klart hur strukturen av dessa nanorymds påverkade förändringen i rörelse och förlusten av entropi.

"Det kan låta esoteriskt, men molekylernas entropiförändringar på grund av begränsningar av rotation och rörelse i position inom nanoporer avgör om nanomaterial kommer att fungera för tusentals energi- och separationstekniker, sade Paul Dauenhauer, en medförfattare till studien som är docent i kemiteknik och materialvetenskap vid University of Minnesota och forskare i Catalysis Center for Energy Innovation.

"Om vi ​​kan förutsäga molekylär rörelse och entropi av molekyler, då kan vi snabbt avgöra om avancerade nanomaterial kommer att lösa våra mest angelägna energiutmaningar, " tillade Dauenhauer.

Förmågan att förutsäga entropi och molekylär rörelse är kopplad till den senaste tidens nanoteknikboom. Under det senaste decenniet, forskning inom nanomaterial har utvecklat miljontals nya teknologier som kan ta tag i, separera och reagera kolväten från naturgas och biomassa. Dock, vart och ett av dessa tusentals nanomaterial har olika storlek och form, och det har varit för dyrt och tidskrävande att testa dessa avancerade nanomaterial ett efter ett.

"Denna upptäckt öppnar verkligen upp dörren till att förutsäga vilka nanomaterial som kommer att bli framtidens genombrott, sa Dionisios Vlachos, chefen för Catalysis Center for Energy Innovation och professor vid University of Delaware. "Vi har uppfunnit mer material på datorn än vi någonsin kan testa, och nu kan vi snabbt avgöra på datorn om dessa kommer att fungera för våra energi- och separationsbehov."

Fokus på att förutsäga molekylär rörelse i nanomaterial bygger på Catalysis Center for Energy Innovations fokus på design av katalysatorer för att omvandla biomassa-härledda kolväten till biobränslen och biokemikalier. Teamet upptäckte nyligen en ny klass av nanomaterial som kallas "SPP" eller "self-pelared pentasils, " som är zeolitnanomaterial för att reagera och separera kolväten. SPP och andra nanostrukturer har också varit nyckelmaterialen för att upptäcka kemiska processer för att göra förnybar plast för läskflaskor och förnybart gummi för bildäck.

Upptäckten av en ekvation för att förutsäga molekylär rörelse i nanomaterial är en del av ett större uppdrag från Catalysis Center for Energy Innovation, ett US Department of Energy-Energy Frontier Research Center, leds av University of Delaware. Inleddes 2009, Catalysis Center for Energy Innovation har fokuserat på transformerande katalytisk teknologi för att producera förnybara kemikalier och biobränslen från lignocellulosa (icke-livsmedel) biomassa.