Une meilleure compréhension des configurations de purification aidera les scientifiques des matériaux à développer de meilleurs systèmes de filtrage. Crédit :Panther Media GmbH / Alamy
Le piégeage des molécules sur des surfaces poreuses personnalisées devient plus facile grâce à un nouveau modèle qui unifie les théories précédentes de l'adsorption.
De nombreux outils de purification, des simples filtres à charbon aux usines de dessalement complexes, comptent sur des solides avec des millions de pores minuscules pour capturer et éliminer les contaminants sans s'y lier chimiquement. Maintenant, une équipe KAUST a identifié les facteurs clés qui relient l'adsorption sur différents types de surfaces poreuses, résoudre des problèmes centenaires de prévision de l'absorption de substances inconnues.
Au début des années 1900, le concept d'isothermes d'adsorption a émergé pour décrire le comportement des adsorbants en présence de quantités croissantes de molécules. Ces graphiques ont des formes distinctes qui dépendent des propriétés de surface à l'échelle de l'atome, par exemple, que les particules collent en couches simples ou multicouches, et sont rapidement devenues essentielles pour concevoir et comprendre les configurations de purification. La plupart des absorbants, les chimistes ont trouvé, pourraient être classés dans l'une des six isothermes après quelques mesures expérimentales.
Cependant, absorbants modernes aux structures poreuses hétérogènes, tels que les charpentes organométalliques (MOF), s'avèrent plus difficiles à modéliser. Bien que ces matériaux bénéficient de tests à haut débit sur de nombreux échantillons, le besoin de mesures individuelles d'isothermes ralentit considérablement la découverte - une situation vécue par le professeur Kim Choon Ng du centre de dessalement et de réutilisation de l'eau de KAUST.
Images SEM de la surface poreuse à force microscopique croissante (en partant du haut à gauche). Crédit :KAUST
« Nous travaillions à améliorer le traitement de l'eau de mer, et l'utilisation des isothermes était très fastidieuse, " dit Ng. " Chacun a dû faire son propre travail d'essai et d'erreur pour des applications particulières, et il n'y avait pas vraiment de théorie pour aider les gens à concevoir des absorbants."
Avec les chercheurs Muhammad Burhan et Muhammad Shahzad, Ng visait à découvrir comment les différentes isothermes pourraient être combinées en un seul modèle universel. Ils ont proposé de subdiviser les surfaces avec des variations de pores à l'échelle nanométrique en minuscules plaques qui adsorbent les molécules invitées dans des conditions thermodynamiques et cinétiques similaires. En introduisant un facteur de probabilité pour définir la distribution énergétique de chaque patch, l'équipe a créé une fonction mathématique capable de repérer les caractéristiques importantes des surfaces adsorbantes.
Les différences de tailles de pores sur les surfaces absorbantes peuvent être mieux comprises avec un modèle qui repère de minuscules régions où les gaz se fixent à des énergies similaires Reproduit avec autorisation sous licence Creative Commons de référence. Crédit :KAUST
Les comparaisons entre les prédictions générées par le modèle universel et les isothermes de la littérature ont révélé la puissance de la nouvelle approche. Non seulement les données théoriques correspondent aux expériences mesurées pour les six catégories d'isothermes, mais plusieurs pics sont apparus dans les graphiques de distribution d'énergie lorsque des conditions hétérogènes sont détectées, paramètres qui peuvent s'avérer essentiels pour le développement de matériaux innovants dotés de capacités de sorption affinées.
"Chaque couple adsorbant-adsorbat a sa propre fonction de distribution d'énergie distincte, qui nous permet de capter toutes les informations dans les isothermes, " explique Ng. " Les scientifiques des matériaux devraient être capables d'utiliser des techniques telles que l'acidification pour augmenter la taille des pores dans les structures métallo-organiques et modifier leur distribution d'énergie pour augmenter l'absorption. "
