Unified roadmap for ZIF-8 Nucleation and Growth: Machine Learning Analysis of Synthetic Variables and their Impact on Particle Size and Morphology

doi:10.60692/w293d-rg176

Published July 19, 2023 | Version v1

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Unified roadmap for ZIF-8 Nucleation and Growth: Machine Learning Analysis of Synthetic Variables and their Impact on Particle Size and Morphology

1. Danube Private University
2. Instituto de Investigaciones Fisicoquímicas Teóricas y Aplicadas
3. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas
4. Universidad Nacional de La Plata
5. University of Buenos Aires
6. Fundación Ciencias Exactas y Naturales
7. University of Iowa

Metal-Organic Frameworks (MOFs) have settled in the scientific community over the last decades as versatile materials with several applications. Among those, Zeolitic Imidazolate Framework 8 (ZIF-8) is a well-known MOF that has been applied in various and diverse fields, from drug-delivery platforms to microelectronics. However, the complex role played by the reaction parameters in controlling the size and morphology of ZIF-8 particles is still not fully understood. Even further, many individual reports propose different nucleation and growth mechanisms for ZIF-8, thus creating a fragmented view of the system's behavior. To provide a unified view, we have generated a comprehensive dataset of synthetic conditions and their final outputs and applied Machine Learning techniques to analyze the data. Our approach has enabled us to identify the nucleation and growth mechanisms operating for ZIF-8 in a given portion of the chemical space and to reveal the underlying impact of synthetic variables on the final particle size and morphology. By doing so, we draw connections between the role of each synthetic variable over ZIF-8 synthesis and provided with a rule of thumb to control the final particle size. Our results provide a unified roadmap for the nucleation and growth mechanisms of ZIF-8 in agreement with mainstream trends, which can guide the rational design of ZIF-8 particles with specific sizes and morphology, determining their suitability for any targeted application. Altogether, our work represents a step forward in seeking control of the properties of MOFs through a deeper understanding of the rationale behind synthesis procedures employed for their synthesis.

Translated Descriptions

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Translated Description (Arabic)

استقرت الأطر المعدنية العضوية (MOFs) في المجتمع العلمي على مدى العقود الماضية كمواد متعددة الاستخدامات مع العديد من التطبيقات. من بين تلك، Zeolitic Imidazolate Framework 8 (ZIF -8) هي وزارة المالية المعروفة التي تم تطبيقها في مجالات مختلفة ومتنوعة، من منصات توصيل الأدوية إلى الإلكترونيات الدقيقة. ومع ذلك، فإن الدور المعقد الذي تلعبه معلمات التفاعل في التحكم في حجم ومورفولوجيا جسيمات ZIF -8 لا يزال غير مفهوم تمامًا. علاوة على ذلك، تقترح العديد من التقارير الفردية آليات مختلفة للنواة والنمو لـ ZIF -8، مما يخلق رؤية مجزأة لسلوك النظام. لتوفير رؤية موحدة، أنشأنا مجموعة بيانات شاملة للظروف الاصطناعية ومخرجاتها النهائية وطبقنا تقنيات التعلم الآلي لتحليل البيانات. مكننا نهجنا من تحديد آليات النواة والنمو العاملة لـ ZIF -8 في جزء معين من الفضاء الكيميائي والكشف عن التأثير الأساسي للمتغيرات الاصطناعية على حجم الجسيمات النهائي والمورفولوجيا. من خلال القيام بذلك، نرسم الروابط بين دور كل متغير اصطناعي عبر تخليق ZIF -8 ونزود بقاعدة عامة للتحكم في حجم الجسيمات النهائي. توفر نتائجنا خارطة طريق موحدة لآليات التنوي والنمو لـ ZIF -8 بالاتفاق مع الاتجاهات السائدة، والتي يمكن أن توجه التصميم العقلاني لجسيمات ZIF -8 بأحجام ومورفولوجيا محددة، وتحديد مدى ملاءمتها لأي تطبيق مستهدف. إجمالاً، يمثل عملنا خطوة إلى الأمام في السعي للتحكم في خصائص العناصر المكونة لوزارة المالية من خلال فهم أعمق للأساس المنطقي وراء إجراءات التوليف المستخدمة لتوليفها.

Translated Description (French)

Les cadres métal-organique (MOF) se sont installés dans la communauté scientifique au cours des dernières décennies en tant que matériaux polyvalents avec plusieurs applications. Parmi ceux-ci, Zeolitic Imidazolate Framework 8 (ZIF-8) est un MOF bien connu qui a été appliqué dans des domaines divers et variés, des plateformes d'administration de médicaments à la microélectronique. Cependant, le rôle complexe joué par les paramètres de la réaction dans le contrôle de la taille et de la morphologie des particules ZIF-8 n'est pas encore entièrement compris. De plus, de nombreux rapports individuels proposent différents mécanismes de nucléation et de croissance pour ZIF-8, créant ainsi une vue fragmentée du comportement du système. Pour fournir une vue unifiée, nous avons généré un ensemble complet de données sur les conditions synthétiques et leurs résultats finaux et appliqué des techniques d'apprentissage automatique pour analyser les données. Notre approche nous a permis d'identifier les mécanismes de nucléation et de croissance du ZIF-8 dans une partie donnée de l'espace chimique et de révéler l'impact sous-jacent des variables synthétiques sur la taille et la morphologie finales des particules. Ce faisant, nous établissons des liens entre le rôle de chaque variable synthétique sur la synthèse ZIF-8 et fournissons une règle empirique pour contrôler la taille finale des particules. Nos résultats fournissent une feuille de route unifiée pour les mécanismes de nucléation et de croissance de ZIF-8 en accord avec les tendances traditionnelles, ce qui peut guider la conception rationnelle de particules ZIF-8 avec des tailles et une morphologie spécifiques, déterminant leur adéquation à toute application ciblée. Dans l'ensemble, nos travaux représentent un pas en avant dans la recherche du contrôle des propriétés des MOF grâce à une compréhension plus approfondie de la raison d'être des procédures de synthèse utilisées pour leur synthèse.

Translated Description (Spanish)

Los marcos organometálicos (MOF) se han asentado en la comunidad científica en las últimas décadas como materiales versátiles con varias aplicaciones. Entre ellos, el Zeolitic Imidazolate Framework 8 (ZIF-8) es un MOF bien conocido que se ha aplicado en diversos y diversos campos, desde plataformas de administración de fármacos hasta microelectrónica. Sin embargo, aún no se comprende completamente el complejo papel que desempeñan los parámetros de reacción en el control del tamaño y la morfología de las partículas de ZIF-8. Aún más, muchos informes individuales proponen diferentes mecanismos de nucleación y crecimiento para ZIF-8, creando así una visión fragmentada del comportamiento del sistema. Para proporcionar una vista unificada, hemos generado un conjunto de datos completo de condiciones sintéticas y sus resultados finales y hemos aplicado técnicas de aprendizaje automático para analizar los datos. Nuestro enfoque nos ha permitido identificar los mecanismos de nucleación y crecimiento que operan para ZIF-8 en una parte determinada del espacio químico y revelar el impacto subyacente de las variables sintéticas en el tamaño y la morfología finales de las partículas. Al hacerlo, establecemos conexiones entre el papel de cada variable sintética en la síntesis de ZIF-8 y proporcionamos una regla general para controlar el tamaño final de las partículas. Nuestros resultados proporcionan una hoja de ruta unificada para los mecanismos de nucleación y crecimiento de ZIF-8 de acuerdo con las tendencias principales, que pueden guiar el diseño racional de partículas de ZIF-8 con tamaños y morfología específicos, determinando su idoneidad para cualquier aplicación específica. En conjunto, nuestro trabajo representa un paso adelante en la búsqueda del control de las propiedades de los MOF a través de una comprensión más profunda de la justificación de los procedimientos de síntesis empleados para su síntesis.

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