Zeolieten zijn een klasse van natuurlijke of vervaardigde mineralen met een sponsachtige structuur, doorzeefd met kleine poriën waardoor ze bruikbaar zijn als katalysatoren of ultrafijne filters. Maar van de miljoenen zeolietsamenstellingen die theoretisch mogelijk zijn, tot nu toe zijn er slechts ongeveer 248 ooit ontdekt of gemaakt. Nutsvoorzieningen, onderzoek van MIT helpt verklaren waarom alleen deze kleine subset is gevonden, en zou wetenschappers kunnen helpen meer zeolieten met gewenste eigenschappen te vinden of te produceren.

De nieuwe bevindingen worden deze week gerapporteerd in het tijdschrift Natuurmaterialen , in een paper van MIT-afgestudeerde studenten Daniel Schwalbe-Koda en Zach Jensen, en professoren Elsa Olivetti en Rafael Gomez-Bombarelli.

Eerdere pogingen om erachter te komen waarom alleen deze kleine groep mogelijke zeolietsamenstellingen is geïdentificeerd, en om uit te leggen waarom bepaalde soorten zeolieten kunnen worden omgezet in specifieke andere soorten, zijn er niet in geslaagd een theorie te bedenken die overeenkomt met de waargenomen gegevens. Nutsvoorzieningen, het MIT-team heeft een wiskundige benadering ontwikkeld om de verschillende moleculaire structuren te beschrijven. De aanpak is gebaseerd op de grafentheorie, die kan voorspellen welke paren zeoliettypes van de ene naar de andere kunnen worden getransformeerd.

Dit zou een belangrijke stap kunnen zijn in de richting van het vinden van manieren om zeolieten op maat te maken voor specifieke doeleinden. Het kan ook leiden tot nieuwe productieroutes, omdat het bepaalde transformaties voorspelt die nog niet eerder zijn waargenomen. En, het suggereert de mogelijkheid om zeolieten te produceren die nog nooit eerder zijn gezien, omdat sommige van de voorspelde paringen zouden leiden tot transformaties in nieuwe soorten zeolietstructuren.

Interzeoliet transformaties

Zeolieten worden tegenwoordig veel gebruikt in uiteenlopende toepassingen zoals het katalyseren van het "kraken" van aardolie in raffinaderijen en het absorberen van geuren als componenten in kattenbakvulling. Mogelijk worden nog meer toepassingen mogelijk als onderzoekers nieuwe soorten zeolieten kunnen maken, bijvoorbeeld met poriegroottes die geschikt zijn voor specifieke soorten filtratie.

Alle soorten zeolieten zijn silicaatmineralen, vergelijkbaar in chemische samenstelling met kwarts. In feite, over geologische tijdschalen, ze zullen uiteindelijk allemaal in kwarts veranderen - een veel dichtere vorm van het mineraal - legt Gomez-Bombarelli uit, die de Toyota Assistant Professor in Materials Processing is. Maar ondertussen, ze zijn in een "metastabiele" vorm, die soms kan worden omgezet in een andere metastabiele vorm door warmte of druk of beide toe te passen. Sommige van deze transformaties zijn welbekend en worden al gebruikt om gewenste zeolietvariëteiten te produceren uit gemakkelijker verkrijgbare natuurlijke vormen.

Momenteel, veel zeolieten worden geproduceerd met behulp van chemische verbindingen die bekend staan ​​als OSDA's (organische structuur-sturende middelen), die een soort sjabloon vormen voor hun kristallisatie. Maar Gomez-Bombarelli zegt dat als ze in plaats daarvan kunnen worden geproduceerd door de transformatie van een ander, gemakkelijk verkrijgbare vorm van zeoliet, "dat is echt spannend. Als we geen OSDA's hoeven te gebruiken, dan is het veel goedkoper [om het materiaal te produceren]. Het organische materiaal is prijzig. Alles wat we kunnen doen om biologische producten te vermijden, brengt ons dichter bij productie op industriële schaal."

Traditionele chemische modellering van de structuur van verschillende zeolietverbindingen, onderzoekers hebben gevonden, biedt geen echte aanwijzing voor het vinden van de paren zeolieten die gemakkelijk van de ene naar de andere kunnen transformeren. Verbindingen die structureel vergelijkbaar lijken, zijn soms niet onderhevig aan dergelijke transformaties, en andere paren die nogal verschillen blijken gemakkelijk uitwisselbaar te zijn. Om hun onderzoek te begeleiden, het team gebruikte een eerder door de Olivetti-groep ontwikkeld kunstmatige-intelligentiesysteem om meer dan 70 te "lezen", 000 onderzoekspapers over zeolieten en selecteer die welke specifiek interzeoliettransformaties identificeren. Vervolgens bestudeerden ze die paren in detail om te proberen gemeenschappelijke kenmerken te identificeren.

Wat ze ontdekten was dat een topologische beschrijving gebaseerd op grafentheorie, in plaats van traditionele structurele modellering, duidelijk de relevante paren geïdentificeerd. Deze op grafieken gebaseerde beschrijvingen, gebaseerd op het aantal en de locaties van chemische bindingen in de vaste stoffen in plaats van hun feitelijke fysieke rangschikking, toonde aan dat alle bekende paren bijna identieke grafieken hadden. Dergelijke identieke grafieken werden niet gevonden bij paren die niet werden getransformeerd.

De bevinding onthulde een paar voorheen onbekende paren, waarvan sommige bleken overeen te komen met voorlopige laboratoriumwaarnemingen die niet eerder als zodanig waren geïdentificeerd, en helpt zo het nieuwe model te valideren. Het systeem was ook succesvol in het voorspellen welke vormen van zeolieten kunnen vermengen - waardoor combinaties van twee soorten worden gevormd die verweven zijn zoals de vingers op twee gevouwen handen. Dergelijke combinaties zijn ook commercieel bruikbaar, bijvoorbeeld voor opeenvolgende katalysestappen met verschillende zeolietmaterialen.

Rijp voor verder onderzoek

De nieuwe bevindingen kunnen ook helpen verklaren waarom veel van de theoretisch mogelijke zeolietformaties niet echt lijken te bestaan. Omdat sommige vormen gemakkelijk in andere veranderen, het kan zijn dat sommigen van hen zo snel transformeren dat ze nooit alleen worden waargenomen. Screening met behulp van de op grafieken gebaseerde benadering kan enkele van deze onbekende paren aan het licht brengen en laten zien waarom die kortstondige vormen niet worden gezien.

Sommige zeolieten, volgens het grafiekmodel, "geen hypothetische partners hebben met dezelfde grafiek, dus het heeft geen zin om te proberen ze te transformeren, maar sommigen hebben duizenden partners" en zijn dus rijp voor verder onderzoek, zegt Gomez-Bombarelli.

In principe, de nieuwe bevindingen kunnen leiden tot de ontwikkeling van een verscheidenheid aan nieuwe katalysatoren, afgestemd op de exacte chemische reacties die ze moeten bevorderen. Gomez-Bombarelli zegt dat bijna elke gewenste reactie hypothetisch een geschikt zeolietmateriaal zou kunnen vinden om het te bevorderen.

"Experimentalisten zijn erg enthousiast om een ​​taal te vinden om hun transformaties te beschrijven die voorspellend is, " hij zegt.