Gli scienziati dell'Università di Southampton che lavorano con i colleghi dell'Università di Liverpool hanno sviluppato un nuovo metodo che ha il potenziale per rivoluzionare il modo in cui cerchiamo, progettare e produrre nuovi materiali.

I ricercatori hanno utilizzato una sofisticata modellazione al computer per mappare come le molecole si assemblano e si cristallizzano per formare nuovi materiali:ogni molecola porta a una miriade di possibili strutture, ciascuno con diverse proprietà e possibili applicazioni.

Questo nuovo approccio, pubblicato sulla rivista Natura , potrebbe accelerare la scoperta di materiali per applicazioni chiave nel campo dell'energia, controllo dell'inquinamento, farmaceutici e una miriade di altri campi.

"Quando un ingegnere costruisce una diga o un aeroplano, la struttura viene prima progettata utilizzando i computer. Questo è estremamente difficile alla scala dimensionale delle molecole o degli atomi, che spesso si assemblano in modi non intuitivi, " spiega Graeme Day, un professore di modellistica chimica presso l'Università di Southampton. "È difficile progettare da zero su scala atomica e il tasso di fallimento nella scoperta di nuovi materiali è alto. Come chimici e fisici che cercano di scoprire nuovi materiali, spesso ci sentiamo esploratori senza mappe affidabili."

Professor Andrew Cooper, Direttore della Materials Innovation Factory presso l'Università di Liverpool, continua:"Ogni molecola ha una superficie energetica associata, che puoi pensare come la mappa di un'isola deserta. Alcune isole contengono tesori sotto forma di nuovi materiali utili, ma la maggior parte no. C'è un numero quasi illimitato di molecole che potremmo, in linea di principio, make - questo nuovo metodo ci dice quali isole cercare e cosa cercare."

A differenza degli ingegneri, i chimici non sono veramente liberi di creare qualsiasi struttura vogliano:si limitano a scoprire strutture che corrispondono alle posizioni ottimizzate degli atomi, note come minimi locali, su una superficie energetica altamente complessa. Questa superficie può essere completamente rappresentata solo in molte dimensioni, quindi non può essere facilmente concettualizzato.

Però, il team del Regno Unito ha combinato metodi che prevedono come le molecole formeranno strutture cristalline, con simulazioni al computer che prevedono le proprietà di queste strutture. Il risultato sono mappe codificate a colori relativamente semplici che possono essere utilizzate, da ricercatori senza un background computazionale, per individuare i migliori materiali per applicazioni specifiche. Per esempio, un ricercatore che cerca di creare un materiale altamente poroso per immagazzinare un particolare gas potrebbe utilizzare la mappa per identificare le migliori molecole che ottimizzano questa proprietà.

Nelle simulazioni evidenziate nel loro articolo, i ricercatori hanno applicato questo nuovo approccio a una serie di molecole note e ipotetiche, che ha portato alla scoperta e alla sintesi di materiali con grandi capacità di stoccaggio del metano, che ha ramificazioni per i veicoli alimentati a gas naturale. La ricerca ha portato anche alla sintesi del cristallo molecolare meno denso che sia mai stato creato, mostrando come i metodi computazionali possono essere utilizzati per scoprire proprietà senza precedenti.