Niels Bohr Enstitüsü’nde Amonyak Kirliliğini Yakalamak için Polimer Elde Edildi
Fotoğraf: Laboratuvarda çalışmak biraz karmaşık olabilir. Bu görsel, polimerin kimya laboratuvarındaki gerçek üretiminden. Ancak Heloisa Bordallo’nun öğrencilerinin dediği gibi: “Temiz laboratuvar = kimse çalışmıyor!”
Niels Bohr Enstistüsü ve Kopenhag Üniversitesi Kimya Bölümü’ndeki araştırmacılar, kısa süre önce küçük molekülleri yakalamayı amaçlayan gözenekli bir polimer tasarladılar. Amonyak, endüstriyel proseslerde reaktif olarak yaygın olarak kullanılan veya tarımsal faaliyetler sonucu oluşan, boğazda tahrişe, göz hasarına ve hatta insanlarda ölüme neden olan toksik bir gazdır. Onu bu yeni yöntemle yakalayabilmek sağlık açısından oldukça fayda sağlayabilir. Araştırma sonuçları, ACS Applied Materials & Interfaces’ta yayınlandı.
Niels Bohr Enstitüsü’nden doçent Heloisa Berdolla şöyle açıklıyor, “Bu malzemeyi amonyak kirliliği gibi önemli bir toplumsal problemi çözmek için kullanmak istiyorsak, amonyağın polimerdeki gözenekli ağ tarafından nasıl yakalandığını açıklamak önemlidir. Bu, polimer ve amonyak arasındaki etkileşimin tam olarak nasıl gerçekleştiğini bulmamızı sağlayan bir teknik bulmamız gerektiği anlamına geliyor. Bu soruyu cevaplamakta başarılı olmak, bu veya diğer polimerlerin nanotıp ve koruyucu kaplamalar dahil olmak üzere multidisipliner alanlarda nasıl verimli olabileceğini daha iyi anlamamızı sağlayacaktır. Eğer büyütülürse – ki bu basit bir süreç değildir – bu, dünyanın her yerindeki birçok insanın çalışma ortamı üzerinde önemli bir olumlu etkiye sahip olabilir.”
Polimer, Başlangıçta Şaşırtıcı Derecede İyi Özellikler Gösterdi
Kimya Bölümünden yardımcı doçent Jiwoong Lee ve Niels Bohr Enstitüsü’nde eski bir doktora sonrası araştırmacı olan Rodrigo Lima, söz konusu polimerden 2 gram sentezledi, bu miktar kulağa çok değilmiş gibi gelebilir ancak kimyagerlerin normalde sadece birkaç miligram ile çalıştıkları göz önüne alındığında kayda değer bir miktardır. İlk adımdan sonra, ekip malzemeyi karakterize etmek için birçok farklı teknik kullandı. Doçent yardımcı Jiwoon Lee, “Sentez işlemi genellikle malzemenin çözücülerle yıkanmasını içerir ve gözenekli polimerin aslında bu çözücülerin bir kısmını içeride tuttuğunu fark etmek hoş bir sürpriz oldu. Bu, malzemenin belki de amonyak gibi diğer kirleticileri yakalayabileceğinin bir göstergesiydi.” açıklamasını yaptı.
Araştırmacılar, Birleşik Krallık’taki STFC Rutherford Appleton Laboratuvarı’nın ISI Neutron ve Muon Source bölümünde deneyler gerçekleştirdiler; burada, amonyağı polimer içine almak için düşük basınçta nötron saçılma verileri toplanarak hidrojen bağlarının dinamikleri incelendi. Nötron saçılımı, atomların nerede bulunduğunu ve aynı zamanda atomların bir malzeme içinde nasıl hareket ettiğini tanımlayabilen bir tekniktir. Daha sonra, Rodrigo Lima Niels Bohr Enstitüsü’ndeki termal analiz laboratuvarında bir deney düzeneği kurdu ve amonyağın sadece yakalanmadığını aynı zamanda gözenekli malzemelere tutunduğunu gösterdi. Lima, “Bu, gerçek bir sürprizdi, polimer amonyağı çok güçlü bir şekilde bağlıyor” sözlerini söyledi.
Amorf Polimeri Karakterize Etmek Başlı Başına Bir Zorluk Haline Geldi
Helloisa Bordalla, “Polimer ve amonyak arasındaki bu görünüşte güçlü bağı açıklayabilmek için polimerin yapısını bilmemiz gerekiyordu. Ancak, bu özel polimer amorf yapıda olduğundan yapısını tam olarak karakterize etmek zor. Bir şekilde, amonyağı yakalama maddesini işaretlediğimizi söyleyebilirsiniz, ancak yine de bunun nasıl olduğunu açıklamamız gerekiyordu – ve bunun için, ulaşılamaz olan yapının daha iyi bir görüntüsüne ihtiyacımız vardı. Projenin bir bölümünde tam başarı elde etmek ve tam olarak nedenini açıklayamamak oldukça büyük bir ikilem.” şeklinde açıklama yaptı.
Araştırmacılar, polimer yapı bloklarının farklı kombinasyonlarını yaptılar ve gerçek örnekteki ölçümlere en yakın olan kombinasyondan DFT adı verilen bir hesaplamalı modelleme yöntemi kullanarak bir spektrumları hesaplayabildiler. Nihayet, polimerin nasıl bağlandığını yorumlama maddesine tik atabildiler.
Jiwoong Lee, “Amonyağı yakalayan bir polimer için çok sayıda uygulama var” diye açıklıyor.” “Amonyak toksik ve aynı zamanda çok aşındırıcı olduğundan, laboratuvarlarda kişisel güvenlik için kullanılan maskelerde kaplama olarak uygulandığında yararlı olacaktır. Filtre olarak kullanılabilir ve birçok endüstri türünden egzoz yoluyla salınan amonyağın yayılmasını azaltır. İlerleyen zamanlarda polimer tekniğinin diğer kirletici türlerine de uygulanması mümkündür.”
Makine Öğrenimi ve Yapay Zeka
Heloisa Bordallo, makine öğrenimini amorf sistemlere uygulamak istiyor. Bu deney için, o ve meslektaşları deneyi tabiri caizse ‘manuel’ yaptılar, ancak makine öğrenimi ve yapay zekayı kullanmak bu süreci sürdürmenin belki de daha uygun bir yoludur. Derin öğrenme algoritmalarını uygulamak, amorf malzemelerin doğru bir şekilde sınıflandırılmasına ve yapısal özelliklerinin karakterize edilmesine yardımcı olabilir. Bordallo, “Daha sonra makine öğrenimini teorik hesaplamalarla birleştirerek nötron saçılım verilerini çok daha zarif bir şekilde analiz edebileceğiz.” dedi.
Kaynakça: phys.org
