En strategi til at kontrollere faseselektivitet i skabelonbaseret zeolitsyntese

Zeolitter, grupper af mineraler bestående af hydrerede aluminosilicater, er kendt for at være meget lovende materialer til en række anvendelser. For eksempel, de kan bruges som katalysatorer, kationbyttere og molekylsigter.

Mens mange tidligere undersøgelser har undersøgt potentialet af disse materialer, Hidtil har styring af fasekonkurrence under zeolitsyntese vist sig at være udfordrende og arbejdskrævende. Udtrykket zeolitsyntese refererer til de processer, hvorigennem zeolitter kan skabes eller syntetiseres i laboratoriet.

Forskere ved Massachusetts Institute of Technology (MIT), i samarbejde med forskere ved Polytechnic University of Valencia og Stockholm University, har for nylig foreslået en ny strategi til at kontrollere faseselektivitet under skabelonbaserede zeolitsynteseprocesser. Denne strategi, præsenteret i et papir udgivet i Videnskab , er baseret på den kombinerede brug af atomistiske simuleringer, litteratur minedrift, menneske-computer interaktioner, syntese- og materialekarakteriseringsteknikker.

"Vores forskning i Learning Matter Lab på MIT fokuserer på problemer med nål-i-høstak inden for materialevidenskab, " Rafael Gomez-Bombarelli, en af ​​de forskere, der har udført undersøgelsen, fortalte Phys.org. "At designe et molekyle, der selektivt skaber skabeloner for en given zeolit, har været et vanskeligt kombinatorisk problem i årtier, med masser af trial and error i laboratoriet. Selvom atomistiske simuleringer historisk set har hjulpet, traditionelle tilgange manglede rollen som selektivitet, fordi de fokuserede på en enkelt zeolit ​​ad gangen."

Gomez-Bombarelli og hans kolleger brugte high-throughput-simuleringer baseret på molekylær mekanik til at kvantificere affiniteten af ​​forskellige molekylære skabeloner til både den zeolit, de forsøgte at skabe, og dem, der var uegnede til en given anvendelse. Holdet hentede information fra over 586, 000 zeolit-molekyle simuleringer, der var tilpasset eksisterende litteratur inden for materialedesign.

"Ved at bruge disse simuleringer, vi fandt skabeloner, der er mest selektive, selvom de ikke er de stærkeste bindemidler, "Daniel Schwalbe-Koda, en anden forsker involveret i undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Takket være hurtige algoritmer, som vi finjusterede i løbet af det foregående år, og som vi sammenlignede med årtiers litteraturdata, vores simuleringer var størrelsesordener hurtigere end traditionelle tilgange og gjorde det muligt for os at nå et stort antal kombinationer meget effektivt."

Resultaterne af simuleringerne førte til identifikation af flere mulige designs for zeolitter, som potentielt kunne realiseres i fremtiden. Selvom der ikke er sikkerhed for, at alle de designs, de identificerede, ville være ideelle, værket af Gomez-Bombarelli, Schwalbe-Koda og deres kolleger kunne hjælpe med at indsnævre søgningen efter lovende zeolitdesigns og fremskynde zeolitsynteseprocesser.

"Teori har typisk understøttet eksperimenter inden for zeolitvidenskab, men sjældent førte an, "Manuel Moliner, en af ​​forskerne, der har udført undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Med denne nye indsigt, vores chancer for succes, når vi sætter os for at lave nye materialer i laboratoriet, er meget højere, og der er masser af uudnyttet potentiale i molekyler, der ikke havde fået opmærksomhed, men som kan låse op for nye, effektive og omkostningseffektive katalysatorer."

Denne nylige undersøgelse bekræfter, at højtydende beregningsværktøjer og algoritmer kan spille en nøglerolle i identifikation af nye lovende materialer. Ikke desto mindre, forskerne er overbeviste om, at ekspertmenneskers intuition stadig er nødvendig, når man analyserer computersimuleringer eller en algoritmes forudsigelser.

"I sidste ende, mennesker er de endelige brugere af dataene, så vi bør forsøge at gøre det så nyttigt som muligt til praktiske anvendelser, " Schwalbe-Koda sagde. "En af mine foretrukne indsigter i vores undersøgelse er, at molekylær form er en stor forudsigelse af selektivitet. Vi var i stand til at skabe et nyt materiale, der er halvvejs mellem to kendte, ved at bruge en skabelon, hvis form er halvvejs mellem de traditionelt anvendte molekyler."

Den nye beregningsstrategi til styring af zeolitsyntese og struktursammensætning præsenteret af Gómez-Bombarelli, Schwalbe-Koda, Moliner og deres kolleger kunne snart hjælpe med opdagelsen af ​​nye lovende zeolitskabeloner. Dette kan få vigtige konsekvenser for flere forskningsfelter, herunder energiområdet og indsatsen for at tackle klimaforandringerne. Forskerne har således besluttet at gøre deres data offentligt tilgængelige via en online interaktiv hjemmeside.

"Der er mange spændende muligheder for fremtidig forskning, " sagde Moliner. "To, der er af teoretisk og praktisk interesse, kommer til at tænke på. Den ene er at tilpasse sammensætningen og geometrien af ​​den katalytiske lomme i zeolitten og bevæge sig mod "uorganiske enzymer." En anden er at realisere helt nye zeolitter, som indtil videre forbliver rent hypotetiske. Ved at gøre vores simuleringsdata tilgængelige for samfundet forventer vi, at andre også vil blive inspireret til at forfølge nye kreative retninger."

© 2021 Science X Network