美国科学家致力于研究能够预测纳米材料中分子运动的方程式

来自明尼苏达大学和马萨诸塞大学阿默斯特分校的一组能源研究人员发现，当将分子被限制在小的纳米管或空腔中时可以高精度地预测分子运动。他们的理论方法适用于筛选数百万种纳米材料，并可以改善燃料和化学品的生产。

该研究在线发表在ACS Central Science（A Universal Descriptor for the Entropy of Adsorbed Molecules in Confined Spaces“在密闭空间中吸附分子的熵的通用描述”）中。

空气中的分子可以自由移动、振动和翻滚，但是将它们限制在小的纳米管或空腔中，它们会失去很多运动形式。从空气中捕获二氧化碳的能力对运动的总损失有很大的影响，将生物质分子转化为生物燃料或分离天然气的能力具有重要意义，所有这些都使用具有管结构和孔结构的纳米材料。

总部位于特拉华大学的催化能源创新中心的研究人员在考虑将分子压缩入狭小空间时，取得了突破性进展。在空气中，分子可以向上、向下和向上移动（三维空间），但在纳米管中，分子只能向一个方向（通过纳米管）或两个方向（在管的表面）移动尚不清楚。类似地，分子可以以三种方式旋转和旋转，但是管边缘可以阻止部分或全部的运动，因此丢失的旋转量是未知量。

该研究的合作者之一、马萨诸塞州阿默斯特大学化学工程助理教授和能源创新催化中心研究员奥马尔阿布德拉赫曼说：“我们的方法是将分子翻滚和旋转分离出来。我们发现，放入纳米笼中的所有分子在位置上的移动速度是一样的，但旋转和旋转的量很大程度上取决于纳米笼的结构。”

该研究小组将分子运动与熵的数量联系起来，熵的数量将分子运动的所有方面组合成一个数字。当分子进入纳米多孔空间内部时，分子会失去不同数量的熵，但尚不清楚这些纳米空间的结构如何影响运动的变化和熵的损失。

“这可能听起来很深奥，但是熵变化的分子由于在纳米孔旋转和运动位置的局限性决定了纳米材料是否为成千上万的能源和分离技术工作,”该项研究的合作者Paul Dauenhauer说，他也是明尼苏达大学化学工程与材料科学副教授和催化能源创新中心研究员。

“如果我们能够预测分子的分子运动和熵变，那么我们就可以快速确定先进的纳米材料是否能解决我们最紧迫的能源挑战，”Dauenhauer补充说。

预测熵变和分子运动的能力与最近的纳米技术发展有关。在过去的十年中，纳米材料的研究已经开发了数百万种新技术，这些技术可以从天然气和生物质中获取、分离和反应碳氢化合物。然而，这些数千种纳米材料中的每一种都具有不同的尺寸和形状，逐一测试这些先进的纳米材料太昂贵且耗时。

“这一发现确实为预测哪种纳米材料将成为未来的突破打开了大门，”催化能源创新中心主任、特拉华大学教授Dionisios Vlachos说。 “我们在电脑上发明的材料比我们所能测试的要多，现在我们可以在计算机上快速确定这些材料是否适用于我们的能源和分离需求。”

预测纳米材料中分子运动的重点建立在催化能源创新中心的基础上，该中心致力于设计将生物质衍生的碳氢化合物转化为生物燃料和生物化学品的催化剂。该团队最近发现了一类新的纳米材料，称为“SPP”或“自支撑的五硅体”，它是用于反应和分离碳氢化合物的沸石纳米材料。SPP和其他纳米结构也成为发现化学工艺的关键材料，用于制造苏打瓶盖使用的可再生塑料和汽车轮胎使用的可再生橡胶。

能够预测纳米材料中分子运动的方程式是美国能源创新催化中心（该中心是由特拉华大学领导的能源前沿研究中心）的一项更大任务的一部分。催化能源创新中心于2009年启动，其重点是转化催化技术，从木质纤维素（非食品）生物质生产可再生化学品和生物燃料。

文章来源于nanowerk网站，由材料新闻在线团队编译，原文题目：Researchers discover how caged molecules 'rattle and sing'