笼中分子如何发出嘎嘎声和歌声

2019-06-14 15:36:50
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明尼苏达大学和马萨诸塞大学阿默斯特分校的一组能源研究人员发现,当将分子限制在小纳米笼中时,可以高精度地预测分子运动。他们的理论方法适用于筛选数百万种可能的纳米材料,并可以改善燃料和化学品的生产。

该研究在线发表在ACS Central Science,这是美国化学学会的一个领先的开放获取期刊。

空气中的分子可以自由移动,振动和翻滚,但是将它们限制在小的纳米管或空腔中,它们会失去很多运动。运动中的总损失对于从空气中捕获二氧化碳,将生物质分子转化为生物燃料或分离天然气的能力具有重要意义,所有这些都使用具有小管和孔的纳米材料。

总部位于特拉华大学的能源创新催化中心的研究人员在考虑将分子挤入狭小空间时达到了突破。在空气中,分子可以向上,向下和向空间移动(三维),但在纳米管中,分子只能在一个方向(通过管)或两个方向(在管的表面上)移动尚不清楚)。类似地,分子可以以三种方式旋转和旋转,但是管边缘可以防止这种运动中的一些或全部。丢失的旋转量是未知数量。

该研究的合着者是马萨诸塞州阿默斯特大学化学工程助理教授和能源创新催化中心研究员,该研究的合着者奥马尔阿布德拉赫曼说:“我们的方法是将分子翻滚和旋转分离出来。” “我们发现,放入纳米笼中的所有分子在位置上都会失去相同的运动量,但旋转和旋转的量很大程度上取决于纳米笼的结构。”

该团队将分子运动与熵的数量联系起来,熵的数量将分子运动的所有方面组合成一个数字。当分子进入纳米多孔空间内部时,分子会失去不同数量的熵,但尚不清楚这些纳米空间的结构如何影响运动的变化和熵的损失。

“这可能听起来很深奥,但由于纳米孔内旋转和位置移动的限制,分子的熵变决定了纳米材料是否适用于成千上万的能量和分离技术,”该研究的共同作者Paul Dauenhauer说。明尼苏达大学化学工程与材料科学副教授和催化能源创新中心研究员。

“如果我们可以预测分子的分子运动和熵,那么我们就可以快速确定先进的纳米材料是否能解决我们最紧迫的能源挑战,”Dauenhauer补充说。

预测熵和分子运动的能力与最近的纳米技术繁荣有关。在过去的十年中,纳米材料的研究已经开发了数百万种新技术,可以从天然气和生物质中捕获,分离和反应碳氢化合物。然而,这些数千种纳米材料中的每一种都具有不同的尺寸和形状,并且逐一测试这些先进的纳米材料太昂贵且耗时。

“这一发现确实为预测哪种纳米材料将成为未来的突破打开了大门,”能源创新催化中心主任和特拉华大学教授Dionisios Vlachos说。“我们在计算机上发明了比我们测试更多的材料,现在我们可以在计算机上快速确定这些材料是否适用于我们的能源和分离需求。”

关于预测纳米材料中分子运动的重点建立在催化能源创新中心的基础上,该中心致力于设计将生物质衍生的碳氢化合物转化为生物燃料和生物化学品的催化剂。该团队最近发现了一类新的纳米材料,称为“SPP”或“自支撑pentasils”,它是用于反应和分离碳氢化合物的沸石纳米材料。SPP和其他纳米结构也是发现化学过程的关键材料,用于制造汽水轮胎用汽水轮胎和汽车轮胎用可再生橡胶的可再生塑料。

预测纳米材料中分子运动的方程式的发现是美国能源创新催化中心(由美国特拉华大学领导的美国能源 - 能源前沿研究中心)的一项更大任务的一部分。催化能源创新中心于2009年启动,专注于转化催化技术,从木质纤维素(非食品)生物质生产可再生化学品和生物燃料。

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