Odkrycie energii czeka w obrębie spinu atomów

Naukowcy z Narodowego Laboratorium Gór Skalistych (NLR), Bennett Addison (po lewej) i Ross Kerner, analizują wyniki skanu rezonansu magnetycznego jądrowego (NMR) materiału półprzewodnikowego. Ich ciekawość oraz chęć eksperymentowania z mniej używanymi metodami NMR wskazują, że odkrycia w wielu dziedzinach związanych z energią są już blisko. Zdjęcie: Agata Bogucka, Narodowe Laboratorium Gór Skalistych.

Pomóż w finansowaniu pracy CleanTechnica poprzez subskrypcję na Substacku, Patreonie lub Stripe. Wspomóż nas w tworzeniu wysokiej jakości, oryginalnych treści, które publikujemy co tydzień, pomimo wyzwań stawianych przez sztuczną inteligencję służącą do pobierania treści, antyspołeczne media, inflację i inne przeszkody.

Naukowcy z Narodowego Laboratorium Gór Skalistych wykorzystują rezonans magnetyczny jądrowy do rozwoju innowacji w dziedzinie baterii, półprzewodników i bioplastików

Gdy badacze przynoszą swoje wynalazki do laboratorium Bennetta Addisona, on często ma dla nich jedno pytanie: „Czy naprawdę stworzyliście to, co według was stworzyliście?”

W większości laboratoriów chemicy organiczni przeprowadzają standardowe badania, które polegają jedynie na potwierdzeniu, czy użyte substancje chemiczne zareagowały prawidłowo, tworząc czysty produkt końcowy. Po odpowiednim szkoleniu naukowcy z NLR mogą samodzielnie wykonywać te rutynowe badania, odwołując się do Addisona tylko wtedy, gdy zajmują się projektami eksperymentalnymi.

Jednak na podstawie niedawno uzyskanych, nietypowych wyników Addison uważa, że NMR jest bardziej wszechstronne, niż doceniają to przemysł czy badacze. NMR może służyć nie tylko większości dziedzin badań prowadzonych w NLR, ale także stać się podstawą dla krajowych innowacji, które mogą dać amerykańskiemu przemyśle energetycznemu, chemicznemu, materiałowemu oraz przemysłowi krytycznych minerałów przewagę konkurencyjną, o ile więcej badaczy spróbuje wykorzystać jego mniej popularne metody. Tak właśnie stało się, gdy do laboratorium wszedł badacz z NLR – Ross Kerner.

NMR odkrywa wadę w półprzewodnikach i zaskakuje producentów

Kerner zapoznał się z NMR na studiach podyplomowych za namową współpracownika i profesora chemii. Był to jeden z tych kursów laboratoryjnych, które wielu studentów przechodzi powierzchownie, ograniczając się do najprostszych aspektów, ponieważ głębsze zrozumienie wymaga znajomości większej ilości wiedzy z chemii. Jednak dla tych, którzy są gotowi na wyzwanie, NMR oferuje metody umożliwiające badanie niemal każdego materiału.

Aby opanować zasady stosowania NMR, badacz musi poznać właściwości spinowe oraz strukturę jąder. W najczęściej stosowanych badaniach NMR próbka jest przygotowywana w roztworze ciekłym, umieszczana w magnesie, a następnie analizowane są uzyskane wyniki – wykresy przedstawiające szczyty wskazujące na środowisko chemiczne oraz liczbę atomów, najczęściej wodoru. To właśnie jest treść pierwszego semestru.

Ale podobnie jak tabela okresowa, NMR staje się coraz bardziej złożony. Może oceniać zmiany w konfiguracji białek. Może wykrywać spin niemal każdego elementu z tabeli okresowej, o ile są dostępne wystarczająco silne magnesy (chociaż 1H, 13C, 31P i 19F należą do najczęściej używanych). NMR może analizować nierozpuszczalne żele poprzez obracanie próbek pod „magicznym kątem”, a podobne metody umożliwiają badanie struktur ciał stałych za pomocą NMR w stanie stałym.

Gdy Kerner dostrzegł jego wartość, poświęcił się chemii. Wykorzystał NMR w swojej rozprawie, a następnie w NLR do badania hybrydowych krystali półprzewodników halogenowych o strukturze organiczno-anorganicznej. Wkrótce Kerner stał się stałym uczestnikiem pracy w laboratorium NMR, gdzie miał już dość doświadczenia, by samodzielnie przeprowadzać skanowania, ale czuł się uwięziony w rutynowych analizach.

W tym czasie Addison pełnił już rolę kierownika obiektu NMR oprócz bycia naukowcem w zespole. Podzielał ciekawość Kernera.

„Często rozmawiamy, czekając na rutynową analizę” – powiedział Addison. „Zawsze pytam naukowców, nad czym pracują, i zastanawiam się, w jaki sposób NMR może im pomóc.”

Gdy w małym pomieszczeniu otoczonym czterema magnesami nieuniknione są rozmowy, Addison przypomniał sobie moment, w którym ich dyskusja przybrała interesujący obrót:

„Rozmawialiśmy o pomysłach na projekty i szybko uświadomiliśmy sobie, że powinniśmy używać magnesu o częstotliwości 600 megaherców z naszą krioprobą, aby uzyskać lepszą czułość. Wtedy Ross powiedział: „Zabierzmy cienkie warstwy od producenta, aby zmierzyć ich ilość i zidentyfikować uwięziony rozpuszczalnik.””

Innymi słowy, chodziło o to, aby naprawdę sprawdzić, jak czysty jest produkt dostawcy.

To było ponowne zapoznanie Kernera z mocą NMR. Rozpuścił cienkie warstwy półprzewodników dostarczonych przez producenta w tackach do próbek i umieścił je w magnesie o wyższej czułości. Na podstawie uzyskanych danych zauważył zanieczyszczenia we wszystkich próbkach. Wtedy przemysł zaczął zwracać na to uwagę.

„Pokazałem różnym producentom, ile zanieczyszczeń, w ilościowym wyrażeniu, znajduje się lub nie w ich końcowym produkcie, i to naprawdę ich zaskoczyło. Dosłownie dwa eksperymenty – dwa dni pracy z NMR – pozwoliły kilku firmom dostosować swój proces i poprawić jakość produktu” – powiedział Kerner.

Kerner, Addison oraz inni współpracownicy opublikowali te badania w czasopismach Nature, ACS Applied Energy Materials i InfoMat.

Kerner obecnie intensywnie bada szeroki świat NMR.

Addison jest przekonany, że podobne przebudzenie może dotknąć każdą dziedzinę nauki.

Dzięki NMR świat się otwiera

Pragnienie poznania niewidzialnej głębi przyrody przenika środowisko specjalistów od NMR. Addison zainteresował się tym obszarem, analizując strukturę pajęczyny, a jego asystentka w laboratorium, Malitha Dickwella, rozpoczęła swoją karierę od badań grzybów.

Na przykład wtórna ściana komórkowa topoli była kiedyś jedynie rysunkiem, dopóki Addison i jego współpracownicy nie stworzyli pierwszego modelu makromolekularnego tego struktury. Teraz można ją ściskać, deformować i testować na komputerze, co przyspiesza odkrycia w dziedzinie bioenergii i nauk roślinnych. Jest to kluczowe dla obniżenia kosztów przekształcania biomasy w chemikalia, nawozy, materiały i paliwa.

„Aby tworzyć modele komputerowe do symulacji molekularnej, potrzebne są ścisłe ograniczenia przestrzenne, aby umieścić atomy we właściwych pozycjach. Zamiast ogólnikowych stwierdzeń typu ‚te elementy są w kontakcie’, NMR dostarcza ilościowych wskaźników dotyczących sposobu ułożenia się polimerów względem siebie” – powiedział Peter Cieselski, naukowiec z NLR, który stworzył tę wizualizację i był współautorem artykułu „Atomistic, Macromolecular Model of the Populus Secondary Cell Quantitatively Informed by Solid-State NMR.”

Następne badanie z 2026 roku wykazało, że struktura wtórnej ściany komórkowej jest zachowana.

To model obliczeniowy stał się możliwy dzięki NMR w stanie ciekłym. Zachowali komórkę nienaruszoną, zamiast rozpuszczać ją w roztworze jak w przypadku półprzewodników Kernera. Jednak izotop węgla-12, który drzewa pobierają z atmosfery i który stanowi ich drewno, jest ledwo wykrywalny za pomocą NMR. Zamiast tego uprawiali rośliny na częściowej diecie składającej się z węgla-13, który zawiera dodatkowy neutron, którego spin można wykryć.

„Jeśli można wzbogacić izotopowo, otwiera się przed nami cały świat” – powiedział Bennett.

A jeśli nie można, Bennett opublikował również artykuł przeglądowy na temat wykorzystania NMR w stanie ciekłym do badania materiałów bioenergetycznych o naturalnej zawartości izotopowej. Rzeczywiście, naukowcy niemal zawsze mogą znaleźć metodę NMR, która pozwala odkrywać tajemnice świata atomów. Wszystko zależy od tego, co chcą zobaczyć.

Oto kilka kolejnych przykładów tego, co potrafi NMR.

Szybkie skanowanie lasu: NMR w produkcji surowców do bioproduktów

Każde drzewo jest inne – co nie jest korzystne dla przemysłu wykorzystującego pozostałości leśne do wytwarzania chemikaliów, materiałów, nawozów i paliw o pochodzeniu biologicznym. Dla branży, której zysk zależy od energii zawartej w tysiącach pojedynczych roślin, warto znać różnice pomiędzy poszczególnymi plantacjami. W tym przypadku metodą NMR jest metoda o wysokiej przepustowości, stosowana w stanie roztworu.

Dzięki finansowaniu ze strony Center for Bioenergy Innovation, inicjatywy interdyscyplinarnej Biura Nauki Departamentu Energii USA, NLR wykorzystało technologię NMR, aby pokazać, jak właściwości cukrów i ligniny u drzew topoli różnią się w obrębie danej plantacji. Zamiast skomplikowanej analizy struktury komórkowej, ta technika rozpuszcza próbki drzew i szybko przetwarza je partiami.

Dzięki atomistycznej rozdzielczości struktury materiałów, możliwej dzięki NMR w stanie stałym, Addison i jego współpracownicy posuwają granice sposobów, w jakie naukowcy poznają i badają swoje próbki. W tym przypadku ich skanowanie polimerów w drewnie topoli sprawia, że ściana komórkowa drzewa staje się dostępna z punktu widzenia obliczeniowego: teraz naukowcy mogą precyzyjnie eksperymentować z strukturą drewna, aby opracować skuteczniejsze metody wytwarzania bioproduktów, a także pięknie ją wizualizować. Ich prace były finansowane przez program Badań Biologicznych i Środowiskowych oraz Biuro Paliw Alternatywnych i Materiałów Wstępnych Departamentu Energii. Wizualizacja: Peter Cieselski, Narodowe Laboratorium Gór Skalistych

„Dzięki naszym wydajnym procesom analitycznym, w tym NMR, możemy przekształcić las w zbiór danych. Możemy skutecznie analizować zawartość cukrów i ligniny w setkach, a nawet tysiącach próbek, co umożliwia nam identyfikację skrajnych fenotypów oraz powiązanie cech fizycznych z genetyką” — powiedział Bennett.

W rezultacie, przy niewielkim szkoleniu i odpowiednim sprzęcie, każdy naukowiec może szybko odkryć skład tysięcy roślin. Dzięki tej wiedzy mogą oni poprawić gęstość energetyczną oraz spójność chemicznych produktów i paliw pochodzenia biologicznego.

Cudowne metody: NMR w przemyśle bioplastików i polimerów

Interrogacja atomowa jest szczególnie trudna w złożonych polimerach. Cząsteczki nie rozkładają się w pełni w roztworze, a także nie są zbyt wrażliwe na analizę w stanie stałym. Plastiki, produkty biologiczne, a nawet żywe próbki takie jak tkanka mózgowa wymagają innego podejścia – czegoś pomiędzy stanem roztworu a stałym.

Metoda NMR z obrotem pod kątem magicznym o wysokiej rozdzielczości doskonale nadaje się do takich materiałów. Dzięki wsparciu konsorcjum BOTTLE Departamentu Energii USA, NLR jest wiodącym laboratorium w opracowywaniu strategii przekształcania materiałów chemicznych oraz projektowaniu polimerów o poprawionych właściwościach. Badania te obejmują również syntezę elastycznych materiałów pochodzenia biologicznego.

Aby scharakteryzować te nowe materiały, Bennett używa specjalnego detektora NMR, który obraca próbkę pod dokładnie odpowiednim kątem – 54,7 stopnia – co daje tak zwaną „magiczną” właściwość umożliwiającą charakteryzację metodą NMR materiałów nierozpuszczalnych. To trochę jak przechylenie głowy na tyle, by zajrzeć przez szparę. Zespół NLR zastosował ten podejście, aby potwierdzić właściwości elastycznych, biodegradowalnych materiałów przeznaczonych do zastosowań w klejach, robotyce i elektronice.

Poza miejscem: NMR w bateriach jonowych litu

Jony w baterii mają tendencję do przemieszczania się z jednego miejsca na drugie. Szybkość tej dyfuzji oraz uporządkowanie jonów mogą określać przewodność baterii, a tym samym jej wydajność. Jednak większość czynników wpływających na to jest nieznana, w tym rola temperatury.

Addison wspierał zespół badaczy baterii z NLR, finansowany przez projekt realizowany pod kierunkiem NLR, w wykorzystaniu NMR stanu stałego z litem-7 do analizy dyfuzji jonów w różnych temperaturach. Dzięki NMR autorzy odkryli, w jaki sposób nieuporządkowanie miejsc jonowych wpływa na dyfuzję w chemikalii Li6PS5X.

„Uważam tę dziedzinę za niezwykle ekscytującą – to ogromne otwarte drzwi” – powiedział Bennett, mówiąc o zastosowaniu NMR w badaniach baterii i elektrolitów. „To trochę jak czekanie, aż ktoś taki jak Ross wejdzie i rozszerzy możliwości.”

Na razie te drzwi w NLR są szeroko otwarte.

Aby głębiej poznać naturę, zacznij od ciekawości

Naukowcy, podobnie jak ich próbki, mogą być półsztywni – co może tłumaczyć, dlaczego NMR nie był wykorzystywany w ten sposób wcześniej.

„Nie wiem, dlaczego nie zrobiliśmy tego wcześniej” – wspominał Kerner. „Myślę, że ludzie popadają w rutynę”.

Addison się zgadza: „Wielu naukowców zapewne po prostu nigdy nie przeszło odpowiedniego szkolenia”.

W NLR szkolenie trwa zwykle zaledwie kilka godzin, aby nauczyć się przeprowadzania rutynowych skanów. Rzeczywiście, przez cały dzień dziesiątki naukowców odwiedzają obiekt NMR, aby przeprowadzić 20-minutowy skan stanu roztworu. Obecnie około 120 zarejestrowanych użytkowników przeprowadza skany NMR w NLR, podczas gdy dziesiątki partnerów z różnych branż korzysta z rutynowych skanów NMR oferowanych przez NLR w celu udoskonalenia swoich produktów.

Ale jeśli chodzi o coś więcej niż tylko podstawy, pomocna jest obecność Addisona w pomieszczeniu. Jego ekspertyza jest przydatna nie tylko do generowania pomysłów, ale także do interpretacji wyników, które dla kogokolwiek innego mogą wyglądać jedynie jak wyrwy na wykresie. Wymaga to głębokiego zrozumienia chemii i fizyki oraz znajomości wszystkich specyfik protonowych spinów, stosunków izotopowych i afinitet elektromagnetycznych.

Najważniejsze jest jednak ciekawość.

Dowiedz się więcej o laboratoriach analitycznych NLR oraz o jego badaniach z zakresu charakteryzacji biomasy i bioproduktów, nauk o materiałach oraz przechowywania energii elektrochemicznej.

Autor: Connor O’Neil, NLR