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瑞士科学家发明新技术助力新型纳米多孔材料研发

浏览次数: 日期:2017-05-25 16:54:32

摘自:江苏纳米创新中心

 

 

用于甲烷储存的顶级材料的拓扑结构差异(红色= si, 黄色= o, 蓝色区域= 毛孔)(图片: Berend Smit/EPFL)

 

近日,瑞士联邦理工学院(EPFL)的科学家宣布开发出了一种创新的算法,使计算机能够量化这些孔洞结构的相似性。这种方法将使得科学家们可以从含有数十万个纳米多孔材料的数据库中搜索发现具有合适孔结构的新材料。这项工作发表在Nature Communications 上("Quantifying similarity of pore-geometry in nanoporous materials") 个。

 

多直径小于100nm的孔洞而得名,这些纳米孔洞赋予了它们特殊的性质,在气体分离、催化、医药等应用领域获得了广泛关注和研究。纳米多孔材料的性能取决于它们的化学组成以及它们孔洞的形状,但是在研究中后者很难被量化。到目前为止,材料学家们还在依靠孔的电镜照片来判断两种材料是否有相似的孔洞。

 

如今,计算机可以生成大量潜在材料的数据库,并在必须合成之前确定哪种材料对于特定的应用是最好的。然而,它们的化学性质是如此多样,以至于可能的新材料的数量几乎是无限的,况且我们没有一种可以量化和比较这些纳米孔隙相似性的方法。所有这些都意味着,为任何给定的应用找到最好的纳米多孔材料,十分具有挑战性。

 

EPFL的Berend Smit团队和Kathryn Hess Bellwald团队合作开发的一种新方法,使用了一种称为“持续同调”的应用数学技术。这种技术可以通过使用一些数学工具来量化孔结构的几何相似性,这些工具常被用于人工智能的图像分类和识别。

 

持续同调法能够以条形码的形式产生可以表征数据库中每种材料的孔形状的“指纹”。然后将这些指纹进行比较,可以计算两种材料的孔形状的相似程度。这意味着用这种方法就可以从数据库中筛选并识别具有类似孔结构的材料。

 

EPFL科学家表明,这种新方法在识别具有类似孔隙几何形状的材料特别有效。能够从这种方法中受益的一类纳米多孔材料包括沸石和金属-有机骨架(MOFs,其应用范围包括气体分离和储存以及催化等。

 

科学家们以甲烷储存作为案例进行了研究。这种新方法表明,通过从数据库中搜索类似的孔隙形状,可以找到与已知的顶级材料性能媲美的纳米多孔材料。

 

他们的研究表明,这些性能优良的材料的孔洞形状可以分类到拓扑不同的类别,并且每个类别的材料都需要一个不同的优化策略。

 

我们有一个超过三百万个纳米多孔材料的数据库,所以通过视觉检查找到相似的结构是不成问题的。”Berend Smit表示,“事实上,通过文献检索,我们发现很多作者经常都没有意识到新的MOF与另一个MOF具有相同的孔洞结构。因此我们真的需要一种好的算法。由于人们能直观地辨认出这些孔洞的形状是否相同,我们需要与EPFL数学院合作开发一种可以将这种辨认的技能教给计算机去完成的程序。“

 

在代数拓扑领域,数学家们已经将持续同调理论(persistent homology)拓展到了所有维度,” Kathryn Hess表示,“在此前的应用中只使用了前两个维度,因此EPFL化学工程师的发现令人激动,这是第一个需要第三维的重要应用。”

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