Pollutant physisorption and weak chemisorption - atomic-scale theory and calculations

Inom detta projekt kommer jag med teoretiska metoder studera på atomnivå hur molekyler fastnar på ytor. På atomär skala är inga ytor riktigt släta, då ytan består av enskilda atomer i någon sorts organiserad fördelning. Man vet dock att avsteg från perfekt gitter-symmetri i atompositionerna kan påverka hur väl, och var, en molekyl fastnar på ytan. Ett sådant avsteg från gitter-symmetrin, för att en atom fattas, har flyttats eller har byts ut med annan typ av atom, kallas en defekt. Grafen är egentligen helt enkelt ett lager av grafit. Kolatomerna ligger utplacerade i ett hexagonalt gitter, alltså placerade i hörnen på sexkantiga ringar. Genom att flytta lite på två av atomerna i grafen kan man bilda en så-kallad 5-7 defekt, där två ringar blir femkantiga och två blir sjukantiga. Detta är en av de enklaste defekterna i grafen. Om syre och väte binder på grafenet blir materialet i stället grafenoxid. Liksom defekterna påverkar syregrupperna hur molekyler fastnar och effekten av dessa och lite mer komplicerade defekter kommer jag studera. Aktivt kol är ett finfördelad pulver som ingår i många filter, så som vattenreningsfilter eller skyddsmasker. Finfördelningen gör att det finns mycket yta där andra molekyler och atomer kan fastna och därmed filtreras bort. Några av de mer effektiva delarna av aktivt kol består av mycket små bitar av grafit och grafen. Dessa har oftast massor av defekter och även hålrum, då defekterna gör att grafenlagren inte passar ihop. Om vi på atomskala vill studera hur molekyler fastnar i filter av aktivt kol kan vi alltså ta grafen med defekter som modell för en liten bit av det aktiva kolet. Når molekyler eller atomer fastnar på en yta huvudsakligt med hjälp av van der Waals-krafterna kallas det för fysisorption, omfördelas även elektronerna kallas det för kemisorption. Jag vill i detta projekt undersöka fysisorption och svag kemisorption av partiklar -- molekyler och atomer -- och den roll som defekter och föroreningar spelar. Relevanta partiklar i detta sammanhang är dels små molekyler som förorenar dricksvattnet, radon-atomer som ger hälsoskadlig radioaktiv strålning i hemmet eller brunnsvattnet, och små syntetiska fibrer från klädesplagg som förorenar havsmiljön. Dessutom kommer jag studera mer tekniska användningar som gallium atomer på grafen som del i ett förslag till en förbättrad laser, ett förslag lokala experimentalister tagit fram. Förorening i havsmiljö av det som kallas mikroplaster, alltså plastdelar så små att de inte syns för ögat, är allvarligt då sådana små plast-biter tas upp i näringskedjan när djurplankton och andra små djur äter den. Sedan passerar plasten upp genom näringskedjan. Hälsoeffekterna är okända. Undersökningar har visat att i alla fall i vissa havsmiljön är en stor del av mikroplasterna egentligen syntetiska fibrer som liknar dem som friges från klädesplagg under tvätt. Under en vanlig tvätt i hushållet friges fibrerna från klädesplaggen, sköljs ut med avloppsvattnet, och på grund av storleken fastnar de inte i reningsverket och spolas istället direkt ut i havet. Man kan tänka sig ett filter redan i hushållet, eller i reningsverken, men utöver att fungera genom att samla upp fibrerna ska flödet av vatten genom filtret vara tillräckligt högt för att hinna ta hand om allt vatten, men just tiden som molekylerna befinner sig i närheten av substratet påverkar chansen för att de fastnar. Jag kommer att studera hur delar av syntetiska fibrer, till exempel polyakryl, fastnar i vår modell av aktivt kol och grafenoxid och beräkna chansen att de fastnar inom en begränsat tid, det som kallas "sticking coefficient". Under detta arbete kommer jag dels använda vår egen väletablerade atom-skala beräknings-metod vdW-DF och vidareutveckla den och andra teoretiska verktyg. Jag kommer även att använda metoder för lite större längdskalor. Naturvetenskapligt intresserade elever i gymnasiet och kandidatstudenter, alltså studenter på tredje året i deras universitetsutbildning, har deltagit i vissa delar av min forskning. I några fall har de varit med att ta fram så vetenskapligt bra resultat att elevernas och studenternas arbete med mig har ledd till publicering i vanliga vetenskapliga tidskrifter.

Participants

Elsebeth Schröder (contact)

Biträdande professor at Microtechnology and Nanoscience, Quantum Device Physics

Funding

Swedish Research Council (VR)

Funding years 2015–2018

Related Areas of Advance and Infrastructure

Sustainable Development

Chalmers Driving Force

More information

Created

2015-04-28