Zeolieten, kristallijne poreuze materialen, worden op grote schaal gebruikt bij de productie van chemicaliën, brandstoffen, materialen en andere producten. Tot nu toe zijn zeolieten gemaakt als 3D- of 2D-materialen. Dit is veranderd met de recente ontdekking van kristallijne zeolieten in een nanotubulaire (1D) vorm, door onderzoekers van het Georgia Institute of Technology, Stockholm University en Penn State University. De bevindingen zijn gepubliceerd in het nummer van 6 januari van Science .

"Een ontdekking als deze is een van de meest opwindende onderdelen van ons onderzoek", zegt Sankar Nair, hoofdonderzoeker en professor aan de School of Chemical &Biomolecular Engineering van Georgia Tech. "We zijn er steeds meer aan gewend om onderzoek te doen met een vooraf bepaalde toepassing aan het einde ervan, dus dit herinnert ons eraan dat fundamentele ontdekkingen in de materiaalwetenschap ook spannend en belangrijk zijn."

Zeolieten hebben poriën die ruwweg de grootte hebben van vele soorten moleculen, en wetenschappers en ingenieurs hebben de verschillende afmetingen, vormen en verbindingen van de poriën gebruikt om onderscheid te maken tussen moleculen van verschillende groottes, waardoor de productie van chemicaliën mogelijk is die geschikt zijn voor de productie van plastic, of voor de scheiding van ongewenste moleculen van gewenste, als voorbeelden.

Het team ontwierp syntheses om 2D-zeolietmaterialen te assembleren. In een onverwachte wending gaven sommige resultaten aan dat er een nieuw type assemblageproces aan de gang was. Eén zo'n geval leidde inderdaad tot een nieuw 1D-zeolietmateriaal met een buisachtige structuur met geperforeerde poreuze wanden. Dit 1D-materiaal, een zeoliet nanobuis genoemd, was anders dan alle zeolieten die ooit eerder in de natuur zijn gesynthetiseerd of ontdekt.

"Zeoliet-nanobuizen kunnen worden gebruikt om geheel nieuwe soorten componenten op nanoschaal te maken die het transport van massa of warmte of lading kunnen regelen, niet alleen langs de lengte van de buis, maar ook in en uit door de geperforeerde wanden", zei Nair.

Het oplossen van de gedetailleerde rangschikking van de atomen in de zeoliet-nanobuis was een uitdagende taak, waarvoor de Georgia Tech-onderzoekers samenwerkten met zeolietkristallografie-experts van de Universiteit van Stockholm en Penn State. Ze ontdekten dat de wanden van de nanobuisjes een unieke rangschikking van atomen hadden die niet bekend zijn in 3D- of 2D-zeolieten. Deze zelfde opstelling is ook verantwoordelijk voor het dwingen van de zeoliet om zich te vormen als een 1D-buis in plaats van een 2D- of 3D-materiaal.

"Dit is het eerste voorbeeld van een nieuwe klasse nanobuisjes, en de unieke en goed gedefinieerde structuur biedt opwindende ideeën en mogelijkheden om zeoliet-nanomaterialen te ontwerpen", zegt Tom Willhammar, mede-onderzoeker en onderzoeker aan de Universiteit van Stockholm. "Door verder werk hopen we dat verschillende zeolitische nanobuisjes kunnen worden verkregen met variaties in poriegrootte, vorm en chemie."

Simpel gezegd:een buis op nanometerschaal gemaakt van een 1D-materiaal met regelmatige, geperforeerde gaten aan de zijkanten is nu beschikbaar voor verkenning. Naast dat dit een fundamentele wetenschappelijke ontdekking is die de manier waarop we denken over het ontwerpen van poreuze materialen zou kunnen veranderen, zien de onderzoekers mogelijkheden voor veel praktische toepassingen.

"De unieke structurele eigenschappen van deze materialen zullen een scala aan potentiële toepassingen mogelijk maken in membraanscheidingen, katalyse, detectie en in energieapparaten waar massa of energietransport cruciaal zijn", zegt Christopher W. Jones, co-hoofdonderzoeker en professor aan Georgië Tech. "De materialen kunnen ook unieke mechanische eigenschappen hebben en worden toegepast in composietmaterialen, zoals koolstofnanobuisjes hebben gedaan. In dit stadium is de lucht de limiet en we hopen dat onderzoekers creatieve manieren zullen zoeken om deze materialen in te zetten voor het voordeel van de mensheid." + Verder verkennen

Kleine poreuze kristallen veranderen de vorm van water om chemische reacties te versnellen