Los químicos de la Universidad de San Petersburgo han utilizado técnicas de análisis de big data para predecir las propiedades fotocatalíticas de las nanoláminas de óxido de zinc, es decir, un material nanoestructurado que consiste en partículas en forma de láminas delgadas. El objetivo del estudio era resolver el problema de la degradación sin residuos de los tintes orgánicos, que se utilizan ampliamente tanto en la industria de pinturas como en la industria textil. Los resultados y resultados de la investigación también se pueden aplicar a otros problemas ambientales similares.
El desarrollo de nuevos materiales es una tarea esencial de la ciencia moderna. Estos materiales pueden reducir las emisiones nocivas a la biosfera y disminuir la contaminación ambiental. El desarrollo de nuevos materiales es un proceso complejo y que requiere mucha mano de obra. Incluye varias etapas. Cada etapa requiere muchísimo tiempo y es probable que no proporcione el resultado deseado.
Los químicos deben, primero, sintetizar un material; segundo, estudiar sus propiedades; y, finalmente, probarlo para ver si el nuevo material puede resolver una tarea específica. Los científicos pretenden simplificar y acelerar este proceso de desarrollo. Sin embargo, primero deben comprender, incluso antes de sintetizar una sustancia, qué propiedades desarrollar para hacer que la sustancia sea más efectiva para resolver un problema en particular.
Los científicos de la Universidad de San Petersburgo han desarrollado un método para predecir las propiedades fotocatalíticas de las nanoláminas de óxido de zinc. Este enfoque abre amplias perspectivas para el desarrollo de nanomateriales con propiedades interesantes que puedan utilizarse, por ejemplo, para tratar aguas residuales procedentes de tintes. El trabajo se publica en la revista Applied Surface Science. .
Los investigadores utilizaron nanoláminas de óxido de zinc como fotocatalizador, es decir, un material capaz de degradar tintes orgánicos bajo luz visible. El óxido de zinc no es tóxico y es sencillo de producir. Las partículas de tamaño nanométrico tienen una superficie mayor en comparación con un material a granel habitual. Como resultado, la degradación del tinte es más rápida y eficiente. Es la transición a la nanoescala la que revela las propiedades únicas de muchas sustancias, incluidas las propiedades relacionadas con defectos.
"Imagínese que tiene un cubo de Rubik completo con todos los colores correctamente combinados. Ahora imagine que no sólo están mezclados los colores, sino que también faltan algunas partes. Sin embargo, por paradójico que pueda parecer, son estos defectos los que explican "Hay muchas propiedades interesantes de los nanomateriales semiconductores, incluidas aquellas que nos permiten utilizar nanoláminas de óxido de zinc para resolver problemas medioambientales", afirmó Dmitry Tkachenko, coautor del estudio, asistente de laboratorio e investigador del Departamento de Química General e Inorgánica de San Petersburgo. . Universidad de Petersburgo.
El estudio tuvo tres etapas. Primero, sintetizar nanohojas de óxido de zinc y describir sus propiedades; segundo, considerar el proceso de degradación del tinte a nivel molecular; y, tercero, desarrollar un modelo para predecir la eficiencia del fotocatalizador.
"Por el momento aún no está claro cómo podemos regular y determinar el número de defectos (colores mezclados y faltantes en el cubo de Rubik) en los nanoobjetos. Sin embargo, durante el trabajo fue posible no sólo encontrar una manera de regular el número de estos defectos en las nanoláminas, pero también de aplicar un enfoque original para predecirlos", dijo Olga Osmolovskaya, jefa del grupo de síntesis y estudio de nanopartículas y materiales nanoestructurados, profesora asociada en el Departamento de Química General e Inorgánica en la Universidad de San Petersburgo.
Como resultado, los químicos de la Universidad de San Petersburgo obtuvieron un conjunto de parámetros que describen la estructura y propiedades de las nanoláminas de óxido de zinc.
"La consideración de fenómenos y procesos en química a menudo se asocia con un experimento en el laboratorio, que requiere un cierto nivel de equipo y habilidades. Proponemos utilizar simulación por computadora, que no requiere equipos especiales y costosos y tiene capacidades mucho mayores y flexibilidad", explicó Mikhail Voznesenskiy, autor de la parte computacional del estudio y profesor asociado en el Departamento de Química Física de la Universidad de San Petersburgo.
Como resultado, de todo el conjunto de parámetros, los científicos seleccionaron aquellos que tenían el mayor impacto en la actividad del fotocatalizador.
"Así, hemos desarrollado un modelo único para predecir la eficiencia de la degradación del tinte en presencia de nanoláminas de óxido de zinc. Ahora, cualquier científico, sin realizar ningún experimento, puede descubrir qué tan efectivo será un fotocatalizador con ciertos parámetros. Esto, en A su vez, abre oportunidades completamente nuevas en el desarrollo de nanomateriales con las propiedades de interés", explicó Dmitry Kirsanov, autor de la parte quimiométrica del estudio y profesor del Departamento de Química Analítica de la Universidad de San Petersburgo.
Más información: N.D. Kochnev et al, Regulación y predicción de propiedades relacionadas con defectos en nanoláminas de ZnO:síntesis, parámetros morfológicos y estructurales, estudio DFT y modelado QSPR, Ciencia aplicada de superficies (2023). DOI:10.1016/j.apsusc.2023.156828
Proporcionado por la Universidad Estatal de San Petersburgo
