Chercheurs de l'Institut Niels Bohr et du Département de chimie de l'Université de Copenhague, ont récemment conçu un polymère poreux visant à la capture de petites molécules. L'ammoniac est un gaz toxique largement utilisé comme réactif dans les procédés industriels ou issu des activités agricoles, provoquant une irritation de la gorge, des lésions oculaires et même la mort des humains. Être capable de le capturer avec cette nouvelle méthode pourrait avoir d'énormes avantages pour la santé. Le résultat est maintenant publié dans Matériaux et interfaces appliqués ACS.

Professeur associé à l'Institut Niels Bohr, Heloisa Bordallo, explique :« Si nous voulons utiliser ce matériau dans une application réelle pour résoudre un problème de société important comme la pollution à l'ammoniac, il est important d'expliquer comment l'ammoniac est capté par le réseau poreux du polymère. Cela implique que nous devions trouver une technique qui nous permette de savoir exactement comment se déroule l'interaction entre le polymère et l'ammoniac. En réussissant à répondre à cette question, nous permettra de mieux comprendre comment ce polymère ou d'autres peuvent être efficaces dans des domaines multidisciplinaires, y compris la nanomédecine et les revêtements protecteurs. S'il est étendu, ce qui n'est pas un processus simple, cela pourrait avoir un impact positif significatif sur l'environnement de travail de nombreuses personnes dans le monde entier."

Le polymère a montré des caractéristiques étonnamment bonnes dès le départ

Professeur assistant Jiwoong Lee au département de chimie et Rodrigo Lima, un ancien post-doctorant à l'Institut Niels Bohr, synthétisé 2 grammes du polymère, ce qui n'a pas l'air de beaucoup, mais c'est en fait substantiel, considérant que les quantités avec lesquelles les chimistes travaillent normalement ne sont que de quelques milligrammes. Après cette première étape, l'équipe a utilisé de nombreuses techniques différentes pour caractériser le matériau. Le professeur assistant Jiwoong Lee explique :"Le processus de synthèse implique souvent de laver le matériau avec des solvants et ce fut une bonne surprise de se rendre compte que le polymère poreux gardait en fait une partie de ces solvants à l'intérieur. Cela indiquait la capacité du matériau à peut-être capturer d'autres polluants, comme l'ammoniac."

Les chercheurs ont effectué des expériences dans la partie ISIS Neutron and Muon Source du STFC Rutherford Appleton Laboratory au Royaume-Uni, où la dynamique des liaisons hydrogène a été étudiée en collectant des données de diffusion de neutrons à basse pression pour introduire de l'ammoniac dans le polymère. La diffusion de neutrons est une technique capable de décrire où se trouvent les atomes et en même temps de décrire comment les atomes se déplacent à l'intérieur d'un matériau. Après, Rodrigo Lima, ancien post-doctorant à l'Institut Niels Bohr, a mis en place une expérience au laboratoire d'analyses thermiques de l'institut Niels Bohr et a démontré que l'ammoniac n'était pas seulement capté, mais attaché aux matériaux poreux. "Ce fut une vraie surprise ! Le polymère lie très fortement l'ammoniac, " il dit.

Caractériser le polymère amorphe s'est avéré être un défi en soi

"Afin de pouvoir expliquer ce lien apparemment fort entre le polymère et l'ammoniac, nous avions besoin de connaître la structure du polymère. Mais puisque ce polymère particulier est amorphe, il est difficile de caractériser pleinement sa structure. D'une certaine manière, on pourrait dire que nous avions coché la case de capture de l'ammoniac, mais nous avions encore besoin d'expliquer comment cela se produit - et pour cela nous avions besoin d'une meilleure vue de la structure, qui était inaccessible. Tout un dilemme pour avoir un plein succès dans une partie du projet, et ne pas être en mesure d'expliquer exactement pourquoi. » explique Heloisa Bordallo.

Les chercheurs ont fait différentes combinaisons des blocs de construction polymères et ont pu calculer un spectre, en utilisant une méthode de modélisation informatique appelée DFT, à partir d'une combinaison qui se rapproche le plus des mesures de l'échantillon réel. Cette, finalement, leur a permis de « cocher la case » pour interpréter comment le polymère se lie.

« Il existe de nombreuses applications pour un polymère qui capte l'ammoniac, " explique Jiwoong Lee. " Ce serait utile dans les labos, comme revêtement pour masques à porter pour la sécurité personnelle, car l'ammoniac est toxique et aussi très corrosif. Il pourrait être utilisé comme filtres, réduire la propagation de l'ammoniac libéré par les gaz d'échappement de nombreux types d'industries. En pensant à l'avenir, il est possible que la technique des polymères puisse également être appliquée à d'autres types de polluants."

Apprentissage automatique et intelligence artificielle

Heloisa Bordallo souhaite appliquer le machine learning aux systèmes amorphes. Pour cette expérience, elle et ses collègues ont fait l'expérience "à la main, ' pour ainsi dire, mais c'est peut-être une façon plus viable d'aborder ce processus d'utiliser l'apprentissage automatique et l'intelligence artificielle. L'application d'algorithmes d'apprentissage en profondeur peut aider à classer avec précision les matériaux amorphes et à caractériser leurs caractéristiques structurelles. "Ensuite, en combinant l'apprentissage automatique avec des calculs théoriques, nous pourrons analyser les données de diffusion des neutrons d'une manière beaucoup plus élégante, " elle dit.