Les scientifiques utilisent la modélisation informatique pour concevoir des matériaux « super stables »

Les matériaux connus sous le nom de cadres métallo-organiques (MOF) ont une structure rigide en forme de cage qui se prête à une variété d’applications, du stockage de gaz à l’administration de médicaments. En changeant les blocs de construction qui entrent dans les matériaux ou la façon dont ils sont disposés, les chercheurs peuvent concevoir des MOF adaptés à différentes utilisations.

Cependant, toutes les structures MOF possibles ne sont pas suffisamment stables pour être déployées dans des applications telles que la catalyse de réactions ou le stockage de gaz. Pour aider les chercheurs à déterminer quelles structures MOF pourraient fonctionner le mieux pour une application particulière, les chercheurs du MIT ont développé une approche informatique qui leur permet de prédire quelles structures sont les plus stables.

À l’aide de leur modèle informatique, les chercheurs ont identifié environ 10 000 structures métalliques possibles qu’ils classent comme « ultra-stables », ce qui en fait de bons candidats pour des applications telles que la conversion du méthane en méthanol.

« Lorsque les gens proposent un matériau MOF hypothétique, ils ne savent pas nécessairement à l’avance à quel point ce matériau sera stable », explique Heather Kulick, professeure agrégée de chimie et de génie chimique au MIT et auteur principal de l’étude.

« Nous avons utilisé nos modèles de données et d’apprentissage automatique pour proposer des blocs de construction qui devaient avoir un degré élevé de stabilité, et lorsque nous les avons recombinés de manière beaucoup plus diversifiée, notre ensemble de données a été enrichi avec des matériaux avec une stabilité plus élevée que tout ensemble précédent de matériaux virtuels. que les gens ont mis au point. »

Aditya Nandi, étudiante diplômée du MIT, est l’auteur principal de l’article paru aujourd’hui dans la revue Thème. Les autres auteurs sont Shuwen Yue, postdoctorant au MIT, les étudiants diplômés Changhwan Oh et Gianmarco Terrones, et Chenru Duan Ph.D. 22, et Yongchul G. Chung, professeur agrégé de génie chimique et biomoléculaire à l’Université nationale de Pusan.

Modélisation des cadres organiques

Les scientifiques s’intéressent aux MOF car ils ont une structure poreuse qui les rend bien adaptés aux applications impliquant des gaz, telles que le stockage de gaz, la séparation de gaz similaires les uns des autres ou la conversion d’un gaz en un autre. Récemment, les scientifiques ont également commencé à explorer comment ils peuvent être utilisés pour administrer des médicaments ou des agents d’imagerie dans le corps.

Les deux principaux composants des MOF sont des blocs de construction secondaires – des molécules organiques qui incluent des atomes métalliques tels que le zinc ou le cuivre – et des molécules organiques appelées lieurs, qui relient les blocs de construction secondaires. Ces pièces peuvent être assemblées de différentes manières, tout comme les blocs de construction LEGO, explique Kulick.

« Parce qu’il existe tellement de types de blocs LEGO différents et de façons de les assembler, cela crée une explosion combinatoire de différents matériaux MOF potentiels », dit-elle. « Vous pouvez vraiment contrôler la structure globale du MOF en sélectionnant et en choisissant la manière dont les différents composants s’assemblent. »

Actuellement, la méthode la plus courante pour concevoir des MOF consiste à effectuer des essais et des erreurs. Récemment, des chercheurs ont commencé à expérimenter des approches informatiques pour concevoir ces matériaux. La plupart de ces études ont été basées sur des prédictions sur l’efficacité d’un matériau pour une application donnée, mais elles ne tiennent pas toujours compte de la stabilité du matériau résultant.

« Un très bon matériau MOF pour la catalyse ou le stockage de gaz aura une structure très ouverte, mais une fois que vous avez cette structure ouverte, il peut être très difficile de s’assurer que ce matériau est également stable dans le cadre d’une utilisation à long terme », explique Kulick. .

Dans une étude de 2021, Kulick a rendu compte d’un nouveau modèle qu’elle a créé en extrayant quelques milliers de feuilles de MOF pour trouver des données sur la température à laquelle les MOF s’effondrent et si des MOF particuliers peuvent résister aux conditions nécessaires pour éliminer les solvants utilisés dans la synthèse. ils. Elle a formé un modèle informatique pour prédire ces deux attributs – connus sous le nom de stabilité thermique et stabilité d’activation – en fonction de la structure des molécules.

Dans la nouvelle étude, Kulick et ses étudiants ont utilisé ce modèle pour identifier environ 500 cadres organiques à très haute stabilité. Ensuite, ils ont décomposé ces cadres organiques en leurs blocs de construction les plus courants – 120 blocs de construction secondaires et 16 liens.

En recombinant ces blocs de construction à l’aide d’environ 750 types de structures différents, dont beaucoup ne sont généralement pas inclus dans ces modèles, les chercheurs ont créé environ 50 000 nouvelles structures MOF.

« L’une des choses qui était unique à propos de notre groupe est que nous avons examiné des symétries cristallines beaucoup plus diverses que jamais auparavant, mais [we did so] En utilisant ces blocs de construction qui ne provenaient que de MOF hautement stables synthétisés expérimentalement », explique Kulick.

Stabilité supérieure

Les chercheurs ont ensuite utilisé leurs modèles informatiques pour prédire la stabilité de chacune de ces 50 000 structures et ont identifié environ 10 000 structures qu’ils considéraient comme superstables, pour la stabilité thermique et la stabilité d’activation.

Ils ont également vérifié la « capacité de livraison » des structures – une mesure de la capacité d’un matériau à stocker et à libérer des gaz. Dans cette analyse, les chercheurs ont utilisé le méthane, car la capture du méthane peut être utile pour le retirer de l’atmosphère ou le convertir en méthanol. Ils ont découvert que les 10 000 matériaux superstables qu’ils ont identifiés avaient de bonnes capacités de production de méthane et étaient également mécaniquement stables, tel que mesuré par le module d’élasticité prédit.

« La conception des MOF nécessite de prendre en compte de nombreux types de stabilité, mais nos modèles permettent de prédire un coût quasi nul de la stabilité thermique et de l’activation », explique Nandi. « En comprenant la stabilité mécanique de ces matériaux, nous présentons une nouvelle méthode pour identifier les matériaux prometteurs. »

Les chercheurs ont également identifié certains blocs de construction qui ont tendance à se traduire par des matériaux plus stables. L’un des éléments constitutifs secondaires présentant la meilleure stabilité était la molécule contenant du gadolinium, un métal de terre rare. L’autre était une porphyrine contenant du cobalt – une grosse molécule organique composée de quatre anneaux interconnectés.

Les étudiants du laboratoire de Kulik travaillent actuellement sur la fabrication de certaines structures MOF et les testent en laboratoire pour leur stabilité, leur potentiel catalytique et leur capacité à séparer les gaz. Les chercheurs ont également mis leur base de données de matériaux superstables à la disposition des chercheurs intéressés à les tester pour leurs propres applications scientifiques.