Atomaire geometrie next-gen materialen blootgelegd

UGent gebruikt kwantummechanische berekeningen in het ontwerp van next-generation materialen: een enorme doorbraak in het kiezen van de correcte atomaire structuur voor modulaire materialen.

Trefwoorden: #afvang, #atomaire, #berekeningen, #broeikasgassen, #CMM, #energieopslag, #geometrie, #katalyse, #kwantummechanisch, #modulaire, #nanoschaal, #next-gen materialen, #schokdempers, #UGent

Lees verder

research

( Foto: UGent )

ENGINEERINGNET.BE - Modulaire materialen worden opgebouwd door rigide bouwblokken samen te brengen in periodieke patronen op de nanoschaal.

Hierdoor zijn ze enorm veelzijdig en kunnen ze allerlei technologische uitdagingen voor toepassingen in onder meer energieopslag, schokdempers, afvang van broeikasgassen en katalyse.

Het enorme aantal mogelijkheden waarmee bouwblokken zijn te combineren, maakt dat de karakterisering van de structuur van deze modulaire materialen moeizaam gaat.

Wetenschappers aan het Centrum voor Moleculaire Modellering (CMM) hebben nu een protocol voorgesteld om deze uitdaging aan te gaan.

Traditioneel maken wetenschappers een weloverwogen gok naar de correcte atomaire structuur van modulaire materialen, gebaseerd op hoe het materiaal zich gedraagt en welke bouwblokken aanwezig kunnen zijn.

Dit giswerk is meestal ambigu en gaat gepaard met een sterke voorkeur voor eerdere modellen. Daarom werd deze werkwijze in de nieuw gepubliceerde aanpak omgedraaid.

De nieuwe aanpak voegt in een computermodel eerst diverse bouwblokken samen in álle mogelijke combinaties en dus álle mogelijke structurele modellen.

Daarna worden alle modellen onderworpen aan kwantummechanische berekeningen om een accurate weergave te krijgen van de beweging van de atomen op de nanoschaal. Dit laat toe om de verschillende mogelijke modellen te vergelijken met het experiment en ze te rangschikken.

Eén van de meest uitdagende aspecten van deze aanpak is het experiment zo goed mogelijk nabootsen tijdens een computersimulatie. Bij kamertemperatuur, bijvoorbeeld, vertonen de atomen in het experimentele materiaal de neiging om veel dynamischer te zijn dan bij lagere temperaturen, en bewegen ze door het materiaal na verloop van tijd.

Ook de kwantummechanische berekeningen moeten rekening houden met deze dynamica om de hypothetische modellen correct te rangschikken. De nieuwe procedure slaagt hierin en leidt zo tot ongekende overeenkomsten tussen experimentele en theoretische diffractiepatronen. Dit geeft vertrouwen dat op atomair niveau de correcte structuur van deze materialen gevonden is.

"Met deze kennis kunnen materiaalwetenschappers nu nieuwe ontwerpprincipes vooropstellen om nog beter presterende next-gen materialen te bouwen," stelt dr. Sven Rogge van het CMM.