In Zwitserland is een algoritme ontwikkeld dat de nanoporiestructuren van totaal verschillende materialen onderling vergelijkt. Zo kun je de juiste maat uit een database halen zonder meteen aan één bepaald materiaal vast te zitten, blijkt uit een publicatie in Nature Communications.

Die poriestructuur, dus de combinatie van diameter en vorm, bepaalt welke moleculen er wél in passen en welke niet. Hoe nauw dat luistert hangt sterk af van de toepassing die je in gedachten hebt, maar vaak is het zeker zo belangrijk als de chemische interactie met die moleculen. Zo zijn er nogal wat katalysatoren die grote moleculen net zo makkelijk zouden kunnen omzetten als kleintjes, ware het niet dat de grote niet in de poriën passen.

Vaak zoeken onderzoekers die poriestructuren puur op het gezicht uit. Maar dat vereist een 3D-plaatje van elk alternatief. Zolang de keuze zich beperkte tot een paar beschikbare zeolieten was dat goed te doen. Maar sinds je niet-gesynthetiseerde zeolietstructuren op de computer kunt voorspellen en ook nog metal-organic frameworks (MOF’s) en andere nanoporeuze organische materialen kunt synthetiseren, wordt het lastig. Inmiddels zijn miljoenen structuren óf daadwerkelijk gemaakt óf theoretisch maakbaar.

Zie bovendien maar eens een zeoliet met een MOF te vergelijken: goede kans dat je het niet eens aan de 3D-plaatjes kunt zien wanneer hun poriestructuren sterk op elkaar lijken.

Kathryn Hess Bellwald, Berend Smit en collega’s van de Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) hebben nu bedacht hoe ze ‘vingerafdrukken’ kunnen maken van poriestructuren uit hun eigen database, die ruim drie miljoen structuren omvat. Daarbij gebruiken ze een wiskundige benadering die bekend staat als persistent homology.

Het idee is vervolgens dat je uitgaat van een materiaal waarvan je weet dat de poriën ongeveer goed zijn. De vingerafdruk daarvan stop je in de computer, die de database doorloopt en de vingerafdrukken verzamelt die er het meeste op lijken. Vervolgens kijk je of er iets tussen zit dat beter bevalt dan het uitgangsmateriaal.

Het is uitgeprobeerd met materialen waarin je methaan kunt opslaan: bij elk van de 13 bestaande zeolieten die daar het beste geschikt voor zijn, zocht de computer tien alternatieven in de database van 139.407 zeolieten waarvan het bestaan alleen in theorie is voorspeld. Nadere analyse van die theoretische structuren leerde dat ongeveer 80 % inderdaad bruikbaar zou moeten zijn.

Het zelfde is gedaan met 20 methaanabsorberende MOF’s en 41.498 theoretisch voorspelde MOF’s: daarbij bleek zelfs 85 % theoretisch bruikbaar.

Hess en Smit verwachten dat je het principe ook kunt toepassen op katalysatoren, wanneer je naast de geometrie ook de chemische samenstelling en de ladingsverdeling in de vingerafdrukken meeneemt.

bron: EPFL