zeolieten, groepen mineralen bestaande uit gehydrateerde aluminosilicaten, staan ​​bekend als veelbelovende materialen voor een aantal toepassingen. Bijvoorbeeld, ze kunnen worden gebruikt als katalysatoren, kationenwisselaars en moleculaire zeven.

Hoewel veel eerdere studies het potentieel van deze materialen hebben onderzocht, tot dusver is het beheersen van faseconcurrentie tijdens zeolietsynthese uitdagend en arbeidsintensief gebleken. De term zeolietsynthese verwijst naar de processen waarmee zeolieten in het laboratorium kunnen worden gemaakt of gesynthetiseerd.

Onderzoekers van het Massachusetts Institute of Technology (MIT), in samenwerking met onderzoekers van de Polytechnische Universiteit van Valencia en de Universiteit van Stockholm, hebben onlangs een nieuwe strategie voorgesteld om faseselectiviteit te beheersen tijdens zeolietsyntheseprocessen met sjabloon. Deze strategie, gepresenteerd in een paper gepubliceerd in Wetenschap , is gebaseerd op het gecombineerde gebruik van atomistische simulaties, literatuur mijnbouw, mens-computer interacties, synthese en materiaalkarakteriseringstechnieken.

"Ons onderzoek in het Learning Matter Lab aan het MIT richt zich op naald-in-een-hooiberg-problemen in de materiaalwetenschap, "Rafael Gomez-Bombarelli, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org. "Het ontwerpen van een molecuul dat selectief een bepaald zeoliet vormt, is al tientallen jaren een moeilijk combinatorisch probleem, met veel vallen en opstaan ​​in het lab. Hoewel atomistische simulaties historisch hebben geholpen, traditionele benaderingen misten de rol van selectiviteit omdat ze zich concentreerden op een enkele zeoliet tegelijk."

Gomez-Bombarelli en zijn collega's gebruikten simulaties met hoge doorvoer op basis van moleculaire mechanica om de affiniteit van verschillende moleculaire sjablonen te kwantificeren voor zowel de zeoliet die ze probeerden te maken als die welke ongeschikt waren voor een bepaalde toepassing. Het team haalde informatie uit meer dan 586, 000 zeoliet-molecuulsimulaties die waren afgestemd op bestaande literatuur over materiaalontwerp.

"Met behulp van deze simulaties, we hebben sjablonen gevonden die het meest selectief zijn, zelfs als ze niet de sterkste binders zijn, "Daniël Schwalbe-Koda, een andere onderzoeker die bij het onderzoek betrokken was, vertelde Phys.org. "Dankzij snelle algoritmen die we het afgelopen jaar hebben verfijnd en die we hebben vergeleken met tientallen jaren literatuurgegevens, onze simulaties waren orden van grootte sneller dan traditionele benaderingen en stelden ons in staat om zeer efficiënt een groot aantal combinaties te bereiken."

De resultaten van de simulaties hebben geleid tot de identificatie van verschillende mogelijke ontwerpen voor zeolieten die mogelijk in de toekomst kunnen worden gerealiseerd. Hoewel er geen zekerheid is dat alle ontwerpen die ze hebben geïdentificeerd ideaal zouden zijn, het werk van Gomez-Bombarelli, Schwalbe-Koda en hun collega's zouden kunnen helpen om de zoektocht naar veelbelovende zeolietontwerpen te verfijnen en zeolietsyntheseprocessen te versnellen.

"Theorie heeft typisch experimenten in de zeolietwetenschap ondersteund, maar leidde zelden de weg, "Manuel Molenaar, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org. “Met deze nieuwe inzichten, onze kansen op succes wanneer we nieuwe materialen in het laboratorium gaan maken, zijn veel groter en er is veel onbenut potentieel in moleculen die geen aandacht hadden gekregen, maar die nieuwe, efficiënte en kosteneffectieve katalysatoren."

Deze recente studie bevestigt dat goed presterende rekentools en algoritmen een sleutelrol kunnen spelen bij de identificatie van nieuwe veelbelovende materialen. Niettemin, de onderzoekers zijn ervan overtuigd dat de intuïtie van deskundige mensen nog steeds nodig is bij het analyseren van computersimulaties of de voorspellingen van een algoritme.

"Aan het einde van de dag, mensen zijn de eindgebruikers van de gegevens, dus we moeten proberen het zo nuttig mogelijk te maken voor praktische toepassingen, " zei Schwalbe-Koda. "Een van mijn favoriete inzichten van onze studie is dat moleculaire vorm een ​​grote voorspeller is van selectiviteit. We waren in staat om een ​​nieuw materiaal te creëren dat het midden houdt tussen twee bekende, door een sjabloon te gebruiken waarvan de vorm halverwege de traditioneel gebruikte moleculen is."

De nieuwe computationele strategie voor het beheersen van zeolietsynthese en structuursamenstelling gepresenteerd door Gómez-Bombarelli, Schwalbe-Koda, Moliner en hun collega's zouden binnenkort kunnen helpen bij de ontdekking van nieuwe veelbelovende zeolietsjablonen. Dit kan belangrijke implicaties hebben voor verschillende onderzoeksgebieden, met inbegrip van het energieveld en de inspanningen om de klimaatverandering aan te pakken. De onderzoekers hebben er daarom voor gekozen om hun data publiekelijk beschikbaar te stellen via een online interactieve website.

"Er zijn veel spannende wegen voor toekomstig onderzoek, " zei Moliner. "Twee die van theoretisch en praktisch belang zijn, komen voor de geest. Een daarvan is het aanpassen van de samenstelling en geometrie van de katalytische zak in de zeoliet en gaan richting "anorganische enzymen". Een andere is het realiseren van volledig nieuwe zeolieten die vooralsnog puur hypothetisch blijven. Door onze simulatiegegevens beschikbaar te stellen aan de gemeenschap, verwachten we dat anderen ook geïnspireerd zullen worden om nieuwe creatieve richtingen in te slaan."

© 2021 Science X Network