Explicit pore pre-conditioning and inverse design of amorphous nanoporous carbon
Questo articolo presenta un framework di progettazione inversa per il carbonio nanoporoso amorfo che tratta la geometria dei pori come un input di progettazione piuttosto che come un output di sintesi, ricostruendo con successo distribuzioni delle dimensioni dei pori e proprietà strutturali target mediante la crescita del carbonio attorno a pori predefiniti e l'ottimizzazione dei parametri di costruzione tramite ottimizzazione a sciame di particelle.
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Immaginate un materiale così pieno di minuscoli fori da poter trattenere una carica come una batteria, filtrare l'aria che respiriamo o pulire la nostra acqua. Questo materiale è il carbonio nanoporoso, una sostanza simile a una spugna fatta di puri atomi di carbonio disposti in una rete caotica e disordinata. Il suo potere non deriva dal carbonio stesso, ma dalla forma e dalla dimensione degli spazi vuoti intrappolati al suo interno. Se i fori sono troppo grandi, il materiale non riesce a trattenere la carica in modo efficiente; se sono troppo piccoli, gli ioni non possono penetrare all'interno. Per decenni, gli scienziati hanno cercato di progettare questi materiali simulando il modo in cui vengono prodotti in laboratorio, riscaldando e raffreddando il carbonio finché non si assesta in una forma. Tuttavia, questo approccio è come cercare di scolpire una statua lanciando dell'argilla contro un muro e sperando che atterri nella forma giusta. La forma finale dei fori è il risultato del processo, non una scelta che lo scienziato può compiere. Possono impostare la temperatura o la velocità di raffreddamento, ma non possono specificare direttamente che il materiale debba avere un particolare schema di fori per funzionare perfettamente con un determinato fluido di una batteria o un gas.
Un team di ricercatori ha ribaltato questo processo. Invece di sperare che i fori si formino correttamente, partono dai fori che desiderano e costruiscono il carbonio attorno ad essi. In uno studio recente, hanno dimostrato un metodo per progettare carbonio amorfo nanoporoso posizionando prima delle sfere vuote di dimensioni specifiche in una scatola virtuale, imitando l'esatta distribuzione delle dimensioni dei fori necessaria per un compito specifico. Hanno poi fatto crescere atomi di carbonio anello dopo anello attorno a queste sfere vuote, disponendo con cura gli atomi in modo che non schiacciassero i fori. Poiché il computer non può prevedere esattamente come il carbonio si assesterà guardando solo le dimensioni dei fori, il team ha utilizzato un algoritmo di ricerca intelligente per perfezionare le regole della costruzione finché il materiale risultante non corrispondeva a un progetto desiderato. Una volta costruita la struttura, hanno dato un breve scossone ad alta temperatura per levigare i bordi ruvidi e sistemare i legami chimici, lasciando intatti i fori accuratamente progettati. Il risultato è un materiale in cui la geometria del vuoto è una specifica, non un incidente.
I ricercatori hanno testato questo metodo contro due sfide molto diverse. Per prima cosa, hanno cercato di ricreare una struttura di carbonio reale che era stata realizzata in una precedente simulazione utilizzando metodi standard di riscaldamento e raffreddamento. Hanno fornito al computer la dimensione target dei fori e gli hanno chiesto di costruire una struttura corrispondente. L'algoritmo di ricerca ha regolato le regole di costruzione, come la distanza tra gli atomi di carbonio e le pareti dei fori e la rigidità degli anelli di carbonio, finché la nuova struttura non è apparsa quasi identica all'originale. Il materiale finale corrispondeva alla densità, all'area superficiale e alla distribuzione della dimensione dei fori del riferimento entro circa il cinque per cento. Ciò ha dimostrato che il metodo poteva eseguire l'ingegneria inversa di una struttura complessa e disordinata guardando semplicemente alla sua forma finale.
Per spingere il metodo ancora oltre, il team ha cercato di costruire una struttura con una distribuzione "bimodale", il che significa che necessitava di due gruppi distinti di dimensioni dei fori contemporaneamente: alcuni molto piccoli e altri molto più grandi. Questa è una forma difficile che i metodi di simulazione standard hanno faticato a creare perché solitamente producono solo una dimensione media. Utilizzando un tipo specifico di regola di crescita del carbonio, il team è riuscito a costruire con successo una struttura con sia fori piccoli che grandi, rispettando il modello target. Tuttavia, hanno scoperto che non tutte le regole di costruzione funzionavano per ogni obiettivo. Quando hanno provato a costruire la stessa forma bimodale usando un diverso set di regole, il computer non è riuscito a posizionare correttamente i fori, rivelando che la scelta di come gli atomi di carbonio si connettono è fondamentale a seconda del risultato desiderato. Analizzando la cronologia della ricerca, i ricercatori potevano capire quali regole erano essenziali per il design e quali invece erano irrilevanti, permettendo loro di individuare un tentativo fallito prima ancora di finire la costruzione.
L'ultimo passaggio ha comportato un breve periodo di riscaldamento, noto come ricottura (annealing), per sistemare la chimica locale. La costruzione iniziale aveva creato una rete che aveva i fori corretti, ma era chimicamente incompleta, con molti atomi di carbonio che mancavano dei legami necessari per essere stabili. Il processo di riscaldamento ha permesso agli atomi di muoversi e riconnettersi, sistemando questi punti deboli senza distruggere i fori accuratamente posizionati. Dopo questo breve trattamento, la struttura interna del materiale è diventata molto più simile a una rete di carbonio reale, stabile, con il numero corretto di legami chimici e una densità che corrispondeva al riferimento. I fori sono rimasti nelle loro posizioni progettate, sebbene si siano leggermente allargati mentre lo scheletro di carbonio si stringeva attorno ad essi. Lo studio dimostra che, sebbene la chimica locale richieda ancora che le leggi della fisica si assestino, la forma complessiva dei pori può ora essere una scelta di progettazione. Questo sposta l'attenzione dalla domanda "cosa produrrà questo processo?" a "di cosa abbiamo bisogno che questo materiale faccia?" e costruirlo per adattarsi.
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