En ny matematisk tilgang til forståelse af zeolitter

Zeolitter er en klasse af naturlige eller fremstillede mineraler med en svamplignende struktur, fyldt med bittesmå porer, der gør dem nyttige som katalysatorer eller ultrafine filtre. Men af ​​de millioner zeolitkompositioner, der er teoretisk mulige, indtil videre er kun omkring 248 nogensinde blevet opdaget eller fremstillet. Nu, forskning fra MIT hjælper med at forklare, hvorfor kun denne lille delmængde er blevet fundet, og kunne hjælpe forskere med at finde eller producere flere zeolitter med ønskede egenskaber.

De nye fund rapporteres i denne uge i journalen Naturmaterialer , i et papir af MIT kandidatstuderende Daniel Schwalbe-Koda og Zach Jensen, og professorerne Elsa Olivetti og Rafael Gomez-Bombarelli.

Tidligere forsøg på at finde ud af, hvorfor kun denne lille gruppe af mulige zeolit ​​-sammensætninger er blevet identificeret, og for at forklare, hvorfor visse typer zeolitter kan omdannes til bestemte andre typer, har undladt at komme med en teori, der matcher de observerede data. Nu, MIT-teamet har udviklet en matematisk tilgang til at beskrive de forskellige molekylære strukturer. Tilgangen er baseret på grafteori, som kan forudsige hvilke par af zeolittyper der kan transformeres fra den ene til den anden.

Dette kunne være et vigtigt skridt hen imod at finde måder at fremstille zeolitter skræddersyet til specifikke formål. Det kan også føre til nye produktionsveje, da den forudsiger visse transformationer, der ikke tidligere er blevet observeret. Og, det antyder muligheden for at producere zeolitter, der aldrig er set før, da nogle af de forudsagte parringer ville føre til transformationer til nye typer zeolitstrukturer.

Interzeolitiske transformationer

Zeolitter er i vid udstrækning brugt i dag i så varierede applikationer som katalysering af "krakning" af råolie i raffinaderier og absorbering af lugt som komponenter i fyldstof til kattebakker. Endnu flere applikationer kan blive mulige, hvis forskere kan oprette nye typer zeolitter, for eksempel med porestørrelser, der er egnede til bestemte filtreringstyper.

Alle slags zeolitter er silikatmineraler, ligner i kemisk sammensætning kvarts. Faktisk, over geologiske tidsskalaer, de vil alle til sidst blive til kvarts-en meget tættere form af mineralet-forklarer Gomez-Bombarelli, hvem er Toyota adjunkt i materialeforarbejdning. Men i mellemtiden, de er i en "metastabil" form, som nogle gange kan omdannes til en anden metastabil form ved at anvende varme eller tryk eller begge dele. Nogle af disse transformationer er velkendte og allerede brugt til at fremstille ønskede zeolitvarianter fra mere let tilgængelige naturlige former.

I øjeblikket, mange zeolitter fremstilles ved anvendelse af kemiske forbindelser kendt som OSDA'er (organiske strukturstyrende midler), som giver en slags skabelon for deres krystallisering. Men Gomez-Bombarelli siger, at hvis de i stedet kan produceres gennem transformation af en anden, let tilgængelig form for zeolit, "det er virkelig spændende. Hvis vi ikke skal bruge OSDA'er, så er det meget billigere [at producere materialet]. Det organiske materiale er dyrt. Alt, hvad vi kan lave for at undgå det økologiske, bringer os tættere på produktion i industriel skala."

Traditionel kemisk modellering af strukturen af ​​forskellige zeolitforbindelser, forskere har fundet, giver ingen reel anelse om at finde de par zeolitter, der let kan transformere fra det ene til det andet. Forbindelser, der nogle gange ser strukturelt ens ud, er ikke genstand for sådanne transformationer, og andre par, der er ret forskellige, viser sig let at udveksle. For at guide deres forskning, holdet brugte et kunstigt intelligenssystem, der tidligere var udviklet af Olivetti -gruppen til at "læse" mere end 70, 000 forskningsartikler om zeolitter og vælg dem, der specifikt identificerer interzeolittransformationer. De studerede derefter disse par i detaljer for at forsøge at identificere fælles egenskaber.

Hvad de fandt var, at en topologisk beskrivelse baseret på grafteori, snarere end traditionel strukturel modellering, klart identificeret de relevante parringer. Disse grafbaserede beskrivelser, baseret på antallet og placeringen af ​​kemiske bindinger i de faste stoffer frem for deres faktiske fysiske arrangement, viste, at alle de kendte parringer havde næsten identiske grafer. Der blev ikke fundet sådanne identiske grafer blandt par, der ikke var genstand for transformation.

Fundet afslørede et par tidligere ukendte parringer, hvoraf nogle viste sig at stemme overens med foreløbige laboratorieobservationer, der ikke tidligere var blevet identificeret som sådan, dermed med til at validere den nye model. Systemet var også en succes med at forudsige, hvilke former for zeolitter der kan vokse sammen - og danne kombinationer af to typer, der er indflettet som fingrene på to sammenbundne hænder. Sådanne kombinationer er også kommercielt nyttige, for eksempel til sekventielle katalysetrin under anvendelse af forskellige zeolitmaterialer.

Moden til yderligere forskning

De nye fund kan også hjælpe med at forklare, hvorfor mange af de teoretisk mulige zeolitformationer ikke ser ud til at eksistere. Da nogle former let forvandles til andre, det kan være, at nogle af dem forvandler sig så hurtigt, at de aldrig bliver observeret alene. Screening ved hjælp af den grafbaserede tilgang kan afsløre nogle af disse ukendte parringer og vise, hvorfor disse kortvarige former ikke ses.

Nogle zeolitter, ifølge grafmodellen, "har ingen hypotetiske partnere med den samme graf, så det giver ikke mening at prøve at transformere dem, men nogle har tusindvis af partnere" og er derfor modne til yderligere forskning, Gomez-Bombarelli siger.

I princippet, de nye fund kan føre til udviklingen af ​​en række nye katalysatorer, indstillet på de nøjagtige kemiske reaktioner, de er beregnet til at fremme. Gomez-Bombarelli siger, at næsten enhver ønsket reaktion hypotetisk kunne finde et passende zeolitmateriale til at fremme det.

"Eksperimentelister er meget begejstrede for at finde et sprog til at beskrive deres transformationer, der er forudsigende, " han siger.