作者:卡伦·B
特拉华大学罗伯茨分校 能源创新催化中心开发的新表征技术可能有助于改善电化学存储技术，例如UD氢燃料电池公共汽车中使用的燃料电池
学分:特拉华大学 可再生技术是以可持续方式解决全球能源需求的一个有希望的解决方案
然而，太阳能、风能、生物质能等可再生能源的广泛应用却滞后了，部分原因是它们难以储存和运输
随着寻找材料以有效解决这些存储和运输需求的工作继续进行，特拉华大学能源创新催化中心(CCEI)的研究人员报告了表征复杂材料的新技术，这些技术有可能克服这些挑战
研究人员最近在《自然通讯》上报道了他们的技术
看到部分，以及整体 目前存在用于表征具有特定重复图案的高度有序表面的技术，例如晶体
描述没有重复图案的表面是一个更困难的问题
UD博士候选人、2019-2020年蓝水大学研究生乔希·兰斯福德和迪翁·瓦拉科斯(Josh Lansford和Dion Vlachos)是CCEI和特拉华能源研究所的负责人，也是化学和生物分子工程教授艾伦和迈拉·弗格森(Allan和Myra Ferguson)，他们开发了一种方法，可以详细观察原子尺度粒子的局部表面结构，同时保持整个系统的可视性
该方法利用机器学习、数据科学技术和基于物理的模型，使研究人员能够近距离观察他们感兴趣的材料的实际三维结构，但也要考虑背景
这意味着他们可以研究材料表面的特定粒子，但也可以观察在其他分子存在的情况下，在不同的条件下，如温度和压力下，粒子的结构如何随着时间的推移而演变
投入使用后，该研究团队的技术将帮助工程师和科学家识别能够改善存储技术的材料，如燃料电池和电池，它们为我们的生活提供动力
这些改进对于帮助这些重要技术充分发挥其潜力并变得更加广泛是必要的
“为了优化电化学存储技术，如燃料电池和电池，我们必须了解它们是如何工作的，它们看起来是什么样子，”该论文的主要作者兰斯福德说，他在UD接受该项目的首席研究员瓦拉科斯的建议
“我们需要详细了解我们正在生成的材料的结构，以便我们能够大规模高效地重建它们，或者修改它们以改变它们的稳定性
" 计算建模 兰斯福德承认，直接模拟复杂的结构既费钱又耗时
取而代之的是，他们从一种材料表面的单个点上获取数据，并对其进行缩放，以代表许多不同材料的许多表面上的各种催化剂
想象一个由许多原子组成的立方体
位于立方体角上的原子与位于立方体一侧的原子具有不同的性质
这是因为在拐角处，连接在一起的原子会更少，原子之间的距离也会更近
而在立方体的一边，更多的原子将被连接起来，即使它们彼此之间的距离可能更远
催化剂材料也是如此
即使我们用肉眼看不到它们，构成催化剂的粒子也会被吸附到材料上的许多不同位置——这些位置有不同的边缘、凸起和其他影响位于那里的材料行为的变化
由于这些差异，科学家不能只使用一个数字来量化一种材料整个表面上发生的事情，所以他们必须估计这些表面看起来像什么
根据兰斯福德的说法，这是计算建模可以提供帮助的地方
研究小组使用不同波长红外光的实验测量和机器学习来预测和描述不同材料表面的化学和物理性质
这些模型完全基于数学生成的数据进行训练，使它们能够在许多不同的条件下可视化许多不同的选项
他们开发了特殊的开源软件，将该技术应用于不同的金属、材料和吸附物
这种方法足够灵活，可以与红外光以外的其他光谱技术一起使用，这样其他科学家和工程师就可以修改软件来推进他们自己的工作
兰斯福德说:“这项工作引入了一种全新的思维方式，即如何弥合现实世界材料和定义明确的模型系统之间的差距，并对表面科学和机器学习做出自己的贡献。”
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