Επιστήμονες αξιοποίησαν μια «τεράστια βιβλιοθήκη» νανοσωματιδίων για την αποκάλυψη μιας, χαμηλού κόστους και υψηλής απόδοσης εναλλακτικής στο ιρίδιο, «ξεκλειδώνοντας» έναν γρηγορότερο δρόμο προς την αξιοποίηση πιο οικονομικής ενέργειας υδρογόνου.
Η αναζήτηση των εναλλακτικών του ιριδίου
Για χρόνια, επιστήμονες απ’ όλον τον κόσμο, προσπαθούν ν’ αντικαταστήσουν το ιρίδιο, ένα πολύτιμο και εξαιρετικά δαπανηρό μέταλλο, το οποίο παίζει καθοριστική σημασία στην παραγωγή καθαρού καυσίμου από υδρογόνο.
Πρόσφατα, ερευνητές κατάφεραν να ταυτοποιήσουν ένα υποκατάστατο, αξιοποιώντας ένα πρωτοπόρο εργαλείο – και το έκαναν μέσα σ’ ένα απόγευμα.
Σχεδιασμένο στο Πανεπιστήμιο Northwestern του Ιλινόι, το εργαλείο είναι γνωστό ως “megalibrary”.
Περιγράφεται ως το πρώτο “εργοστάσιο δεδομένων” νανοϋλικών – μόνη η μεγαβιβλιοθήκη, διατηρεί εκατομμύρια προσεκτικά σχεδιασμένα νανοσωματίδια, διατεταγμένα σε ένα τσιπ που δεν είναι μεγαλύτερο από ένα δαχτυλικό αποτύπωμα.
Σε συνεργασία με το ερευνητικό ινστιτούτο της Toyota (TRI), η ομάδα του πανεπιστημίου Northwestern, αξιοποίησε την πλατφόρμα αυτή με σκοπό να εντοπίσει υποσχόμενους καταλύτες για την παραγωγή υδρογόνου.
Μετά την ταυτοποίηση ενός υποψηφίου καταλύτη, προχώρησαν στο επόμενο επίπεδο και απέδειξαν πως, το υλικό θα μπορούσε να λειτουργήσει στο εσωτερικό μιας πραγματικής συσκευής – και όλα σε αξιοσημείωτα σύντομο χρόνο.
Μια μεγαβιβλιοθήκη για την ανακάλυψη υλικών
Η μεγαβιβλιοθήκη, έδωσε στους επιστήμονες τη δυνατότητα να δοκιμάσουν αμέτρητους συνδυασμούς τεσσάρων μετάλλων σε αφθονία, φθηνών και ήδη γνωστών για τις καταλυτικές τους ιδιότητες.
Από την τεράστια αυτή προσπάθεια δοκιμών, οι ερευνητές αποκάλυψαν ένα εντελώς νέο υλικό.
Στις εργαστηριακές δοκιμές, όχι απλώς ταίριαζε αλλά, σε ορισμένες περιπτώσεις, ξεπερνούσε τους εμπορικούς καταλύτες με βάση το ιρίδιο, ενώ κοστίζει μόλις ένα κλάσμα της τιμής του.
Οι συνέπειες, ξεπερνούν την μείωση της τιμής του πράσινου υδρογόνου.
Η επιτυχία ακόμη, τονίζει τη δυνατότητα της ίδιας της μεγαβιβλιοθήκης, κάτι που θα φέρει επανάσταση στην ανακάλυψη νέων υλικών σε μια ευρεία γκάμα επιστημονικών πεδίων.
Η μελέτη δημοσιεύτηκε στις 19 Αυγούστου, στην επιθεώρηση American Chemical Society (JACS).
Ένας νέος τρόπος ανακάλυψης βέλτιστων υλικών
“Ίσως απελευθερώσαμε το πιο ισχυρό εργαλείο σύνθεσης στον κόσμο, το οποίο επιτρέπει την έρευνα ενός τεράστιου αριθμού συνδυασμών που θα είναι διαθέσιμοι σε χημικούς και επιστήμονες των υλικών, προκειμένου να βρίσκουν υλικά που έχουν σημασία”, είπε ο A. Mirkin από το Northwestern, κύριος συγγραφέας της μελέτης και πρωταρχικός εφευρέτης της πλατφόρμας της μεγαβιβλιοθήκης.
“Στο συγκεκριμένο έργο, διοχετεύσαμε αυτή τη δυνατότητα προς ένα τεράστιο πρόβλημα που αντιμετωπίζει ο τομέας της ενέργειας, το οποίο είναι: Πώς θα βρούμε ένα υλικό, τόσο καλό όσο είναι το ιρίδιο, αλλά σε μεγαλύτερη αφθονία, περισσότερο διαθέσιμο και πολύ φθηνότερο; Το νέο εργαλείο, μας δίνει τη δυνατότητα να βρούμε μια υποσχόμενη εναλλακτική και μάλιστα, πολύ γρήγορα”.
Το πρόβλημα του ιριδίου στο υδρογόνο
Καθώς ο κόσμος αφήνει πίσω τα ορυκτά καύσιμα και υιοθετεί την οικονομία χαμηλού άνθρακα, το οικονομικό πράσινο υδρογόνο, αποτελεί ένα κρίσιμο κομμάτι του παζλ.
Για την παραγωγή καθαρή ενέργειας υδρογόνου, οι επιστήμονες έχουν στραφεί στην ηλεκτρόλυση του νερού, μια διεργασία που αξιοποιεί τον ηλεκτρισμό για τη διάσπαση των μορίων του νερού στα συστατικά του στοιχεία: το υδρογόνο και το οξυγόνο.
Η πλευρά της αντίδρασης με το οξυγόνο, η οποία ονομάζεται αντίδραση εξέλιξης οξυγόνου (ΟΕR), είναι δύσκολη και αναποτελεσματική. Η αντίδραση εξέλιξης οξυγόνου, είναι πιο αποδοτική όταν οι επιστήμονες χρησιμοποιούν καταλύτες βασισμένους στο ιρίδιο, οι οποίοι έχουν σημαντικά μειονεκτήματα.
Το ιρίδιο είναι σπάνιο, ακριβό και συχνά, προκύπτει ως υποπροϊόν της εξόρυξης λευκόχρυσου. Πιο πολύτιμο και από τον χρυσό, το ιρίδιο κοστίζει περίπου 149. 517 ευρώ ανά κιλό.
“Το ιρίδιο που είναι διαθέσιμο στον κόσμο, δεν αρκεί για την κάλυψη των νοούμενων αναγκών μας”, εξηγεί ο Sargent. “Ακόμη και με τη διάσπαση νερού για την παραγωγή εναλλακτικών μορφών ενέργειας, αμιγώς από σκοπιά παροχής, το ιρίδιο δεν είναι αρκετό”.
Ένας “στρατός” νανοσωματιδίων σε ένα τσιπ
Ο Mirkin, ο οποίος εισήγαγε τις μεγαβιβλιοθήκες το 2016, αποφάσισε από κοινού με τον Sargent πως, η ανακάλυψη νέων υποψηφίων υποκατάστατων του ιριδίου, ήταν η τέλεια εφαρμογή για αυτό το επαναστατικό εργαλείο.
Ενώ γενικά, η ανακάλυψη υλικών είναι ένα αργό και αποθαρρυντικό έργο, γεμάτο με δοκιμές και αποτυχίες, οι μεγαβιβλιοθήκες, δίνουν στους επιστήμονες τη δυνατότητα εντοπισμού βέλτιστων συνθέσεων σε ανυπέρβλητες ταχύτητες.
Κάθε μεγαβιβλιοθήκη, δημιουργείται με αλληλουχίες από εκατοντάδες χιλιάδες μικροσκοπικές, πυραμιδωτές άκρες που τυπώνουν μοναδικές “τελείες” πάνω σε μια επιφάνεια. Κάθε τελεία, περιέχει ένα σκόπιμα σχεδιασμένο μίγμα μεταλλικών αλάτων.
Όταν θερμαίνονται, τα μεταλλικά άλατα περιορίζονται, σχηματίζοντας μοναδικά νανοσωματίδια, κάθε ένα από τα οποία με ακριβή σύνθεση και μέγεθος.
“Φανταστείτε κάθε άκρη σαν να είναι ένα μικροσκοπικό επιστήμονα, σ’ ένα μικροσκοπικό εργαστήριο”, περιγράφει ο Mirkin. “Αντί κάθε μικροσκοπικός επιστήμονας να δημιουργεί μια δομή κάθε φορά, υπάρχουν εκατομμύρια επιστήμονες. Έτσι, κινητοποιείται ένας ολόκληρος στρατός ερευνητών σε ένα τσιπ”.
Ο καταλύτης – νικητής
Στην νέα μελέτη, το τσιπ περιείχε 156 εκατομμύρια σωματίδια, κάθε ένα φτιαγμένο από διαφορετικούς συνδυασμούς από ρουθήνιο, κοβάλτιο, μαγγάνιο και χρώμιο. Στη συνέχεια, ένας ρομποτικός σαρωτής, αξιολογεί πόσο καλά θα μπορούσαν να λειτουργήσουν τα πιο υποσχόμενα σωματίδια σε μια αντίδραση εξέλιξης οξυγόνου.
Βάσει των δοκιμών αυτών, ο Mirkin και η ομάδα του, επέλεξαν τους υποψήφιους με την καλύτερη απόδοση, προκειμένου να υποβληθούν σε περαιτέρω δοκιμές στο εργαστήριο.
Τελικά, ξεχώρισε μια σύνθεση. Ένας ακριβής συνδυασμός και των τεσσάρων μετάλλων: οξείδιο του Ρουθηνίου (Ru), Κοβαλτίου (Co), Μαγγανίου (Mn) και Χρωμίου (Cr).
Οι καταλύτες που προκύπτουν από πολλά μέταλλα, είναι γνωστό ότι αποσπούν τα συνεργιστικά αποτελέσματα που τους κάνουν πιο ενεργούς σε σχέση με τους καταλύτες που προέρχονται από ένα και μόνο μέταλλο.
“Ο καταλύτης μας έχει κάπως υψηλότερη δραστικότητα σε σχέση με το ιρίδιο και έχει εξαιρετική σταθερότητα”, εξήγησε ο Mirkin.
“Αυτό είναι σπάνιο επειδή συνήθως το ρουθήνιο είναι λιγότερο σταθερό. Ωστόσο, τα υπόλοιπα στοιχεία στη σύνθεση, σταθεροποιούν το ρουθήνιο”.
Αποδεικνύοντας τη σταθερότητα και πλεονεκτήματα από άποψη κόστους
Η ικανότητα της δοκιμής των σωματιδίων για την τελική τους απόδοση, είναι μια σπουδαία, νέα πρωτοπορία.
“Για πρώτη φορά, όχι μόνο μπορέσαμε να ελέγξουμε καταλύτες γρήγορα, αλλά είδαμε και τους καλύτερους να αποδίδουν καλά σε μεγαλύτερη κλίμακα”, εξήγησε ο Ο Joseph Montoya, ανώτερος ερευνητικός επιστήμονας στο TRI και ένας από τους συγγραφείς της μελέτης.
Στις δοκιμές μεγάλης διάρκειας, ο νέος καταλύτης απέδωσε περισσότερες από 1.000 ώρες με υψηλή αποδοτικότητα και εξαιρετική σταθερότητα σε έντονα όξινο περιβάλλον. Είναι ακόμη, πολύ φθηνότερος από το ιρίδιο – σχεδόν 1/16 του κόστους του.
“Είναι πολλή δουλειά μέχρι να καταφέρουμε να το καταστήσουμε εμπορικά βιώσιμο, αλλά είναι πολύ συναρπαστικό που έχουμε καταφέρει να ταυτοποιήσουμε τόσο γρήγορα υποσχόμενους καταλύτες – όχι μόνο σε κλίματα εργαστηρίου, αλλά για συσκευές”, εξήγησε ο Montoya.
Πέρα από το υδρογόνο: Η μεγάλη εικόνα
Παράγοντας μεγάλα σύνολα δεδομένων υψηλής ποιότητας υλικών, η προσέγγιση της μεγαβιβλιοθήκης, θέτει τα θεμέλια για την αξιοποίηση της Τεχνητής Νοημοσύνης (ΤΝ) και της μηχανικής μάθησης για τον σχεδιασμό των νέων υλικών της επόμενης γενιάς.
Το Northwestern, το TRI και η Mattiq, μια εταιρεία που συνεργάζεται με το Northwestern, έχουν ήδη αναπτύξει αλγορίθμους μηχανικής μάθησης για να διαχωρίζουν τις μεγαβιβλιοθήκες με πρωτοφανή ταχύτητα. Ο Mirkin εξηγεί πως, αυτό είναι μόνο η αρχή.
Με την ΤΝ, η προσέγγιση θα μπορούσε να εξελιχθεί πέρα από τους καταλύτες, φέρνοντας την επανάσταση στην ανακάλυψη των υλικών, ουσιαστικά για κάθε τεχνολογία, όπως είναι οι μπαταρίες, οι βιοϊατρικές συσκευές και τα προηγμένα οπτικά συστατικά.
“Θα αναζητήσουμε όλων των ειδών τα υλικά για μπαταρίες, βιοϊατρικές συσκευές και περισσότερα”, είπε.
“Ο κόσμος δεν χρησιμοποιεί τα καλύτερα υλικά για τις ανάγκες του. Οι άνθρωποι ανακάλυψαν τα βέλτιστα υλικά σε κάποια συγκεκριμένη χρονική στιγμή, βάσει των εργαλείων που ήταν που ήταν διαθέσιμα. Το πρόβλημα είναι πως, τώρα έχουμε τεράστια υποδομή για ν’ αναπτύξουμε τα υλικά αυτά, και έχουμε κολλήσει σ’ αυτά. Θέλω να το ανατρέψω αυτό. Ήρθε η ώρα ν’ ανακαλύψουμε τα καλύτερα υλικά για κάθε ανάγκη – χωρίς συμβιβασμούς”.
Το υλικό βασίζεται σε έρευνα που πραγματοποιήθηκε με τη χρηματοδότηση της Πολεμικής Αεροπορίας υπό τη σύμβαση με αριθμό FA8650 – 21 – 2 – 5028.