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实现捕获氨污染的聚合物

尼尔斯·波尔研究所和哥本哈根大学化学系的研究人员最近设计了一种多孔聚合物,旨在捕获小分子。氨气是一种有毒气体,被广泛用作工业过程中的试剂或由于农业活动而产生,导致喉咙发炎,眼睛受损甚至对人类死亡。能够用这种新方法捕获它可能具有巨大的健康益处。结果现已发布在ACS Applied Materials&Interfaces中。

尼尔斯·波尔研究所(Niels Bohr Institute)副教授Heloisa Bordallo解释说:“如果我们想在实际应用中使用这种材料来解决重要的社会问题,例如氨污染,那么重要的是要说明如何通过氨中的多孔网络捕获氨。聚合物。这意味着我们需要提出一种技术,使我们能够准确地发现聚合物与氨之间的相互作用是如何发生的。成功回答这个问题,将使我们能够更好地理解这种聚合物或其他聚合物如何在包括纳米医学和保护性涂层在内的多学科领域有效。如果扩大规模(这不是一个简单的过程),这可能会对全球许多人的工作环境产生重大的积极影响。”

该聚合物从一开始就显示出令人惊讶的良好特性

化学系助理教授Jiwoong Lee和Niels Bohr研究所前博士后Rodrigo Lima合成了2克聚合物,虽然听起来并不多,但考虑到化学家通常使用的量,它实际上是大量的只有几毫克。在第一步之后,团队使用了许多不同的技术来表征材料。助理教授Jiwoong Lee解释说:“合成过程通常涉及用溶剂洗涤材料,令人惊讶的是,多孔聚合物实际上将其中一部分溶剂保留在内部。这表明该材料具有捕获其他污染物的能力。例如氨水。”

研究人员在英国STFC卢瑟福·阿普尔顿实验室的ISIS中子和Muon离子源部分进行了实验,在那里,通过收集低压中子散射数据以使氨进入聚合物中,研究了氢键的动力学。中子散射是一种能够描述原子位置的技术,同时也可以描述原子在材料内部的移动方式。之后,尼尔斯·波尔研究所的前博士后罗德里戈·利马(Rodrigo Lima)在尼尔斯·玻尔研究所的热分析实验室进行了一项实验,证明氨不仅被捕获,而且附着在多孔材料上。他说:“这真是一个惊喜!该聚合物非常牢固地结合了氨。”

表征无定形聚合物本身就是一个挑战

“为了能够解释聚合物与氨之间看似牢固的联系,我们需要了解聚合物的结构。但是由于这种特定的聚合物是无定形的,因此很难完全表征其结构。可以说我们已经勾选了捕获氨气的框,但是我们仍然需要解释这种情况是如何发生的,为此,我们需要更好地了解这种结构,这是无法实现的。该项目,而无法确切说明原因。” Heloisa Bordallo解释。

研究人员对聚合物构件进行了不同的组合,并能够使用一种称为DFT的计算建模方法,从与真实样品中的测量最接近的组合中计算出光谱。最后,这使他们能够“打勾”解释聚合物如何结合。

“能捕获氨的聚合物有很多应用,”李智雄解释说。“它在实验室中很有用,因为面膜可以保护人身安全,因为氨是有毒的,而且腐蚀性很强。它可以用作过滤器,减少多种行业的废气中氨的扩散。思考未来,聚合物技术也可能会应用于其他类型的污染物。”

机器学习和人工智能

Heloisa Bordallo希望将机器学习应用于非晶系统。可以这么说,对于这个实验,她和她的同事们是“手工”进行的,但这也许是使用机器学习和人工智能进行该过程的一种更可行的方法。应用深度学习算法可以帮助准确地分类非晶态材料并表征其结构特征。她说:“然后,通过将机器学习与理论计算相结合,我们将能够以更加优雅的方式分析中子散射数据。”

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