Forskere finder endegyldige beviser for, hvordan zeolitter vokser

Forskere har fundet det første endelige bevis på, hvordan silicalite-1 (MFI-type) zeolitter vokser, viser, at vækst er en samordnet proces, der involverer både vedhæftning af nanopartikler og tilføjelse af molekyler.

Begge processer ser ud til at ske samtidigt, sagde Jeffrey Rimer, en ingeniørprofessor ved University of Houston og hovedforfatter til et papir offentliggjort torsdag i tidsskriftet Videnskab .

Han sagde, at en anden komponent til forskningen kunne have endnu mere varig indvirkning. Han og forskeren Alexandra I. Lupulescu brugte en ny teknik, der tillader dem at se zeolitoverfladevækst i realtid, et banebrydende Rimer sagde kan anvendes på andre typer materialer, såvel.

Typisk, forskere undersøger zeolitvækst ved at fjerne krystaller fra det naturlige syntesemiljø og analysere ændringer i deres fysiske egenskaber, sagde Rimer, Ernest J. og Barbara M. Henley Adjunkt i kemi- og biomolekylær teknik ved UH. Det har gjort det mere udfordrende at forstå den grundlæggende mekanisme for zeolitvækst.

Zeolitter forekommer naturligt, men kan også fremstilles. Denne forskning involverede silicalite-1, en syntetisk, aluminiumfri zeolit, der har fungeret som en prototype i litteraturen til at studere zeolitvækst.

I mere end to årtier, forskere har teoretiseret, at nanopartikler, som vides at være til stede i zeolitvækstopløsninger, spillet en rolle i væksten, men der var ingen direkte beviser. Og mens de fleste krystaller vokser gennem klassiske midler - tilføjelse af atomer eller molekyler til krystallen - antydede tilstedeværelsen og det gradvise forbrug af nanopartikler en ikke-klassisk vej for zeolitkrystallisering.

Rimer og Lupulescu fandt ud af, at både klassiske og ikke-klassiske vækstmodeller var på arbejde.

"Vi har vist, at der finder en kompleks dynamik sted, " sagde Rimer. "Ved at gøre det, vi har afsløret, at der er flere veje i vækstmekanismen, som løser et problem, der har været diskuteret i næsten 25 år."

Det løser et mysterium i krystalteknologiens verden, men hvordan de gjorde det, kan have en mere varig indvirkning. Rimer og Lupulescu, hvem lavede projektet som en del af sin afhandling, opnår sin ph.d. i kemiteknik fra UH's Cullen College of Engineering i december, arbejdet med Californien-baseret Asylum Research. De brugte tidsopløst Atomic Force Microscopy (AFM) til at optage topografiske billeder af silicalite-1 overflader, mens de voksede.

AFM giver næsten molekylær opløsning 3-D billeder af krystaloverfladen. Rimer sagde, at teknologien, sammen med software udviklet af Asylum Research og hans laboratorium, gjort det muligt at studere væksten in situ, eller på plads. Mens hans laboratorium arbejder ved temperaturer op til 100 grader Celsius, instrumenteringen kan klare temperaturer helt op til 300 C, gør det muligt at bruge det til en række materialer, der vokser under solvotermiske forhold, han sagde.