Forskare vid Niels Bohr Institutet och Institutionen för kemi vid Köpenhamns universitet, har nyligen designat en porös polymer som syftar till att fånga upp små molekyler. Ammoniak är en giftig gas som ofta används som reagens i industriella processer eller härrör från jordbruksaktiviteter, orsaka irritation i halsen, ögonskador och till och med dödsfall för människor. Att kunna fånga det med denna nya metod kan ha enorma hälsofördelar. Resultatet är nu publicerat i ACS tillämpade material och gränssnitt.

Docent vid Niels Bohr Institute, Heloisa Bordallo, förklarar:"Om vi ​​vill använda detta material i en verklig tillämpning för att lösa ett viktigt samhällsproblem som ammoniakföroreningar, det är viktigt att förklara hur ammoniak fångas upp av det porösa nätverket i polymeren. Detta innebär att vi behövde ta fram en teknik som gör att vi kan ta reda på exakt hur interaktionen mellan polymeren och ammoniaken sker. Att lyckas med att svara på denna fråga, kommer att göra oss i stånd att bättre förstå hur denna eller andra polymerer kan vara effektiva i multidisciplinära domäner, inklusive nanomedicin och skyddande beläggningar. Om det skalas upp – vilket inte är en enkel process – kan detta ha en betydande positiv inverkan på arbetsmiljön för många människor över hela världen."

Polymeren visade förvånansvärt goda egenskaper redan från början

Biträdande professor Jiwoong Lee vid kemiavdelningen och Rodrigo Lima, en tidigare postdoc vid Niels Bohr Institute, syntetiserade 2 gram av polymeren, vilket inte låter som mycket, men det är faktiskt betydande, med tanke på de mängder kemister normalt arbetar med är bara några få milligram. Efter detta första steg, teamet använde många olika tekniker för att karakterisera materialet. Biträdande professor Jiwoong Lee förklarar, "Syntesprocessen går ofta ut på att tvätta materialet med lösningsmedel och det var en trevlig överraskning att inse att den porösa polymeren faktiskt höll en del av dessa lösningsmedel inuti. Detta var ett tecken på materialets förmåga att kanske fånga upp andra föroreningar, som ammoniak."

Forskarna utförde experiment vid ISIS Neutron and Muon Source-delen av STFC Rutherford Appleton Laboratory i Storbritannien, där dynamiken i vätebindningarna undersöktes genom att samla in neutronspridningsdata vid lågt tryck för att få in ammoniak i polymeren. Neutronspridning är en teknik som kan beskriva var atomerna finns och samtidigt beskriva hur atomerna rör sig inuti ett material. Efteråt, Rodrigo Lima, tidigare postdoc vid Niels Bohr Institute, startade ett experiment vid det termiska analyslaboratoriet vid Niels Bohr Institutet och visade att ammoniak inte bara fångades upp, men fäst vid de porösa materialen. "Detta var en riktig överraskning! Polymeren binder ammoniak väldigt starkt, " han säger.

Att karakterisera den amorfa polymeren visade sig vara en utmaning i sig

"För att kunna förklara detta till synes starka samband mellan polymeren och ammoniaken, vi behövde känna till polymerens struktur. Men eftersom just denna polymer är amorf, det är svårt att helt karakterisera dess struktur. På ett sätt kan man säga att vi hade kryssat i rutan för att fånga upp ammoniaken, men vi behövde fortfarande förklara hur detta händer – och för det behövde vi en bättre överblick över strukturen, vilket var ouppnåeligt. Ett ganska dilemma att ha full framgång i en del av projektet, och inte kunna förklara exakt varför." förklarar Heloisa Bordallo.

Forskarna gjorde olika kombinationer av polymerbyggstenarna och kunde beräkna ett spektra, använder en beräkningsmodelleringsmetod som kallas DFT, från en kombination som kom närmast att likna mätningarna i det verkliga provet. Detta, till sist, gjorde att de kunde "kryssa i rutan" för att tolka hur polymeren binder.

"Det finns många applikationer för en polymer som fångar ammoniak, " Jiwoong Lee förklarar. "Det skulle vara användbart i labb, som beläggning för masker att bära för personlig säkerhet, eftersom ammoniak är giftigt och även mycket frätande. Det kan användas som filter, minska spridningen av ammoniak som frigörs genom avgaserna från många typer av industrier. Framåttänkande, det är möjligt att polymertekniken kan tillämpas på andra typer av föroreningar också."

Maskininlärning och artificiell intelligens

Heloisa Bordallo vill tillämpa maskininlärning på amorfa system. För detta experiment, hon och hennes kollegor gjorde experimentet för hand, ' så att säga, men det är kanske ett mer hållbart sätt att gå tillväga i denna process att använda maskininlärning och artificiell intelligens. Att tillämpa algoritmer för djupinlärning kan hjälpa till att korrekt klassificera amorfa material och karakterisera deras strukturella egenskaper. "Genom att sedan kombinera maskininlärning med teoretiska beräkningar kommer vi att kunna analysera neutronspridningsdata på ett mycket mer elegant sätt, " hon säger.