Gli scienziati del MIT di Boston sono al lavoro per progettare strutture metallo-organiche (MOF) impiegando la modellazione computazionale. Queste strutture metallo-organiche altamente stabili potrebbero essere utili per applicazioni come la cattura di gas serra.
I materiali noti come strutture metallo-organiche (MOF) hanno una struttura rigida simile a una gabbia che si presta a una varietà di applicazioni, dallo stoccaggio di gas alla somministrazione di farmaci. Modificando gli elementi costitutivi che entrano nei materiali o il modo in cui sono disposti, i ricercatori possono progettare MOF adatti a diversi usi.
Tuttavia, non tutte le possibili strutture MOF sono sufficientemente stabili per essere impiegate per applicazioni come la catalizzazione di reazioni o lo stoccaggio di gas. Per aiutare i ricercatori a capire quali strutture MOF potrebbero funzionare meglio per una data applicazione, i ricercatori del MIT hanno sviluppato un approccio computazionale che consente loro di prevedere quali strutture saranno le più stabili.
Diecimila possibili strutture MOF
Usando il loro modello computazionale, i ricercatori hanno identificato circa 10.000 possibili strutture MOF che classificano come “ultrastabili”, rendendole buoni candidati per applicazioni come la conversione del gas metano in metanolo.
“Quando le persone escogitano ipotetici materiali MOF, non sanno necessariamente in anticipo quanto sia stabile quel materiale”, afferma Heather Kulik, professore associato di chimica e ingegneria chimica del MIT e autrice senior dello studio. “Abbiamo utilizzato i dati e i nostri modelli di apprendimento automatico per creare elementi costitutivi che avrebbero dovuto avere un’elevata stabilità e, quando li abbiamo ricombinati in modi notevolmente più diversi, il nostro set di dati è stato arricchito con materiali con una stabilità maggiore rispetto a qualsiasi set precedente di materiali ipotetici che le persone avevano escogitato. Aditya Nandy del MIT è l’autrice principale dell’articolo pubblicato sulla rivista Matter.
Modellazione MOF
Gli scienziati sono interessati ai MOF perché hanno una struttura porosa che li rende adatti ad applicazioni come lo stoccaggio di gas, la separazione di gas simili l’uno dall’altro o la conversione di un gas in un altro. Recentemente, gli scienziati hanno anche iniziato a esplorare il loro utilizzo per fornire farmaci o agenti di imaging all’interno del corpo.
I due componenti principali dei MOF sono unità di costruzione secondarie – molecole organiche che incorporano atomi di metallo come zinco o rame – e molecole organiche chiamate linker, che collegano le unità di costruzione secondarie. Queste parti possono essere combinate insieme in molti modi diversi, proprio come i mattoncini Lego, dice Kulik.
“Poiché ci sono così tanti diversi tipi di blocchi Legoe modi in cui assemblarli, dà origine a un’esplosione combinatoria di diversi possibili materiali di struttura organici metallici”, afferma. “Si può davvero controllare la struttura generale della struttura metallica organica scegliendo come assemblare i diversi componenti.”
Attualmente, il modo più comune per progettare MOF è attraverso tentativi ed errori. Più di recente, i ricercatori hanno iniziato a provare approcci computazionali alla progettazione di questi materiali. La maggior parte di tali studi si è basata su previsioni di quanto bene il materiale funzionerà per una particolare applicazione, ma non sempre tengono conto della stabilità del materiale risultante.
“Un ottimo materiale MOF per la catalisi o per lo stoccaggio di gas dovrebbe avere una struttura molto aperta, ma una volta ottenuta questa struttura aperta, potrebbe essere davvero difficile assicurarsi che quel materiale sia stabile anche per un uso a lungo termine”, afferma Kulik.
Un nuovo modello
In uno studio del 2021, Kulik ha riportato un nuovo modello che ha creato estraendo alcune migliaia di documenti sui MOF per trovare dati sulla temperatura alla quale un dato MOF si romperebbe e se particolari MOF possono resistere alle condizioni necessarie per rimuovere i solventi utilizzati per sintetizzare. loro. Ha addestrato il modello al computer per prevedere queste due caratteristiche, note come stabilità termica e stabilità di attivazione, in base alla struttura delle molecole.
Nel nuovo studio, Kulik e i suoi studenti hanno utilizzato quel modello per identificare circa 500 MOF con stabilità molto elevata. Quindi, hanno suddiviso quei MOF nei loro elementi costitutivi più comuni. Ricombinando questi elementi costitutivi utilizzando circa 750 diversi tipi di architetture, comprese molte che di solito non sono incluse in tali modelli, i ricercatori hanno generato circa 50.000 nuove strutture MOF.
Ultrastabilità
I ricercatori hanno quindi utilizzato i loro modelli computazionali per prevedere quanto sarebbe stabile ciascuna di queste 50.000 strutture e ne hanno identificate circa 10.000 che ritenevano ultrastabili, sia per la stabilità termica che per la stabilità di attivazione.
Hanno anche esaminato le strutture per la loro “capacità erogabile”, una misura della capacità di un materiale di immagazzinare e rilasciare gas. Per questa analisi i ricercatori hanno utilizzato il gas metano, perché catturandolo potrebbe essere utile per rimuoverlo dall’atmosfera o convertirlo in metanolo. Hanno scoperto che i 10.000 materiali ultrastabili che hanno identificato avevano buone capacità erogabili per il metano ed erano anche meccanicamente stabili, come misurato dal loro modulo elastico previsto.
“La progettazione di un MOF richiede la considerazione di molti tipi di stabilità, ma i nostri modelli consentono una previsione a costo quasi zero della stabilità termica e di attivazione”, afferma Nandy. «Comprendendo anche la stabilità meccanica di questi materiali, forniamo un nuovo modo per identificare i materiali promettenti».
I ricercatori hanno anche identificato alcuni elementi costitutivi che tendono a produrre materiali più stabili. Una delle unità edilizie secondarie con la migliore stabilità era una molecola che contiene gadolinio, un metallo delle terre rare. Un altro era una porfirina contenente cobalto, una grande molecola organica composta da quattro anelli interconnessi.
Gli studenti del laboratorio di Kulik stanno ora lavorando alla sintesi di alcune di queste strutture MOF e testandole in laboratorio per la loro stabilità e potenziale capacità catalitica e capacità di separazione dei gas. I ricercatori hanno anche reso disponibile il loro database di materiali ultrastabili per i ricercatori interessati a testarli per le proprie applicazioni scientifiche.
“Il database delle strutture MOF sviluppato in questo lavoro sarà molto utile per i ricercatori che utilizzano lo screening computazionale per trovare nuovi MOF per applicazioni mirate”, afferma Randall Snurr, professore di ingegneria chimica e biologica presso la Northwestern University, che non era coinvolto in “Utilizzando i metodi di apprendimento automatico che avevano sviluppato in precedenza, sono stati in grado di concentrarsi sulla generazione di strutture MOF che potrebbero avere un’elevata stabilità, che è una considerazione importante per le applicazioni pratiche”.
La ricerca è stata finanziata dalla US Defense Advanced Research Projects Agency, una National Science Foundation Graduate Research Fellowship, l’Office of Naval Research, il Department of Energy, un MIT Portugal Seed Fund e la National Research Foundation of Korea.
