Desbloqueando os segredos da formação de cristal de sal na nanoescala

Na natureza e na tecnologia, a cristalização desempenha um papel basic, desde a formação de flocos de neve e produtos farmacêuticos até a criação de baterias avançadas e membranas de dessalinização. Apesar de sua importância, a cristalização na nanoescala é pouco conhecida, principalmente porque observar o processo diretamente nessa escala é excepcionalmente desafiador. Minha pesquisa superou esse obstáculo empregando métodos computacionais de ponta, permitindo que eles visualizem interações atômicas em detalhes sem precedentes.

Publicado em Ciência químicameu pesquisar descobriu novos detalhes sobre como os cristais de sal se formam em pequenos espaços do tamanho de nanômetros, o que poderia abrir o caminho para Materiais avançados e tecnologias eletroquímicas aprimoradas.

Esta pesquisa usou sofisticado Simulações de dinâmica molecular aprimorado por técnicas de aprendizado de máquina de ponta para estudar como Cloreto de sódio (NaCl), sal de mesa comum, cristaliza quando confinado entre duas folhas de grafeno separadas por apenas alguns bilionésimos de um metro. Esses condições extremasconhecido como nanoconfinamento, altera drasticamente como as moléculas se comportam em comparação com as condições diárias a granel.

Compreender como a cristalização ocorre em espaços nano-confinados abre a porta para controle preciso sobre estruturas e propriedades cristalinas. Esses achados podem levar a avanços revolucionários em nanotecnologia, materiais de energia e engenharia química.

O estudo revelou várias descobertas notáveis. Mais notavelmente, observei que o confinamento geralmente torna o sólido Cristais de sal mais estável e aumenta significativamente seus pontos de fusão, em comparação com o sal em água a granel. Essa estabilidade dependia intricadamente do espaçamento exato entre as folhas de grafeno. Em alguns níveis de confinamento, surgiram estruturas cristalinas incomuns, incluindo formas hidratadas de sal normalmente estáveis ​​apenas em temperaturas muito mais baixas.

Análises adicionais usando abordagens avançadas de aprendizado de máquina forneceram informações sobre as forças motrizes por trás desses comportamentos incomuns de cristalização. A equipe empregou representações preditivas estaduais e representações termodinamicamente explicáveis ​​de IA e outras técnicas de paradigmas de caixa preta para determinar as vias críticas da reação, revelando os determinantes moleculares essenciais para a formação de cristais sob confinamento.

As simulações demonstraram que o processo de cristalização nessas nano-condições envolve interações cuidadosamente orquestradas entre íons, moléculas de águae suas superfícies de confinamento. Fundamentalmente, a equipe identificou que a remoção de moléculas de água diretamente circundante, particularmente os íons cloreto, desempenhou um papel basic. Essa remoção de água, juntamente com comportamentos dielétricos únicos sob extremo confinamento, amplificou as forças de Coulomb entre os íons, favorecendo a formação de estruturas de sal sólido.

Esta pesquisa basic tem implicações de longo alcance. Ao entender com precisão as condições que favorecem estruturas cristalinas específicas, os cientistas podem controlar melhor os processos críticos para aplicações tecnológicas avançadas. Por exemplo, o conhecimento aprimorado dos mecanismos de cristalização nano-confinada pode melhorar a eficiência e a estabilidade dos dispositivos de armazenamento de energia eletroquímica ou levar a melhores estratégias na purificação da água através de membranas de dessalinização avançada.

Além disso, o estudo introduziu uma estrutura computacional genérica, combinando dinâmica molecular aprimorada e análise de aprendizado de máquina, que poderia ser amplamente aplicado a outros processos químicos e físicos complexos na nanoescala. Essa metodologia tem um grande potencial para descobrir novos comportamentos em sistemas confinados, centrais para várias áreas, incluindo armazenamento de energia, catálise e fabricação farmacêutica.

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Ruiyu Wang é pesquisador de pós -doutorado da Universidade de Maryland, School Park, especializado em simulações de dinâmica molecular, amostragem aprimorada e aprendizado de máquina. Sua pesquisa atual se concentra em transições de nucleação e fase em soluções aquosas em condições ambientais especializadas, com possíveis aplicações de ciência energética. Ruiyu ganhou seu Ph.D. Da Temple College, onde estudou a estrutura, dinâmica e topologia da água nas interfaces de água/sólido. Sua pesquisa de doutorado também explorou como a adsorção de íons e o carregamento da superfície influenciam as propriedades das interfaces aquosas.