Zeoliter är en klass av naturliga eller tillverkade mineraler med en svampliknande struktur, full av små porer som gör dem användbara som katalysatorer eller ultrafina filter. Men av de miljontals zeolitkompositioner som är teoretiskt möjliga, hittills har bara cirka 248 någonsin upptäckts eller gjorts. Nu, forskning från MIT hjälper till att förklara varför endast denna lilla delmängd har hittats, och skulle kunna hjälpa forskare att hitta eller producera fler zeoliter med önskade egenskaper.

De nya fynden rapporteras denna vecka i tidskriften Naturmaterial , i en uppsats av MIT-doktorander Daniel Schwalbe-Koda och Zach Jensen, och professorerna Elsa Olivetti och Rafael Gomez-Bombarelli.

Tidigare försök att ta reda på varför endast denna lilla grupp av möjliga zeolitsammansättningar har identifierats, och förklara varför vissa typer av zeoliter kan omvandlas till specifika andra typer, har misslyckats med att komma med en teori som matchar de observerade uppgifterna. Nu, MIT-teamet har utvecklat en matematisk metod för att beskriva de olika molekylära strukturerna. Tillvägagångssättet är baserat på grafteori, som kan förutsäga vilka par av zeolittyper som kan omvandlas från den ena till den andra.

Detta kan vara ett viktigt steg mot att hitta sätt att göra zeoliter skräddarsydda för specifika ändamål. Det kan också leda till nya produktionsvägar, eftersom det förutsäger vissa transformationer som inte tidigare har observerats. Och, det antyder möjligheten att producera zeoliter som aldrig har setts förut, eftersom några av de förutsagda parningarna skulle leda till transformationer till nya typer av zeolitstrukturer.

Interzeolititransformationer

Zeoliter används i stor utsträckning idag i så varierande tillämpningar som att katalysera "sprickning" av petroleum i raffinaderier och absorbera lukter som komponenter i kattsandlådans fyllmedel. Ännu fler tillämpningar kan bli möjliga om forskare kan skapa nya typer av zeoliter, till exempel med porstorlekar anpassade för specifika typer av filtrering.

Alla typer av zeoliter är silikatmineraler, liknande i kemisk sammansättning till kvarts. Faktiskt, över geologiska tidsskalor, de kommer alla så småningom att förvandlas till kvarts – en mycket tätare form av mineralet – förklarar Gomez-Bombarelli, som är Toyota biträdande professor i materialbearbetning. Men under tiden, de är i en "metastabil" form, som ibland kan omvandlas till en annan metastabil form genom att applicera värme eller tryck eller båda. Vissa av dessa transformationer är välkända och används redan för att framställa önskade zeolitvarianter från mer lättillgängliga naturliga former.

För närvarande, många zeoliter produceras genom att använda kemiska föreningar som kallas OSDA (organiska strukturstyrande medel), som ger ett slags mall för deras kristallisering. Men Gomez-Bombarelli säger att om de istället kan produceras genom transformation av en annan, lättillgänglig form av zeolit, "Det är riktigt spännande. Om vi ​​inte behöver använda OSDA, då är det mycket billigare [att producera materialet]. Det organiska materialet är dyrt. Allt vi kan göra för att undvika det organiska får oss närmare produktion i industriell skala. "

Traditionell kemisk modellering av strukturen hos olika zeolitföreningar, forskare har funnit, ger ingen riktig ledtråd till att hitta paren av zeoliter som lätt kan omvandlas från den ena till den andra. Föreningar som ibland verkar strukturellt lika är inte föremål för sådana transformationer, och andra par som är ganska olika visar sig lätt bytas ut. För att vägleda deras forskning, teamet använde ett artificiell intelligenssystem som tidigare utvecklats av Olivetti-gruppen för att "läsa" mer än 70, 000 forskningsartiklar om zeoliter och välj de som specifikt identifierar interzeolittransformationer. De studerade sedan dessa par i detalj för att försöka identifiera gemensamma egenskaper.

Vad de fann var att en topologisk beskrivning baserad på grafteori, snarare än traditionell strukturell modellering, tydligt identifierat de relevanta parningarna. Dessa grafbaserade beskrivningar, baserat på antalet och placeringen av kemiska bindningar i de fasta ämnena snarare än deras faktiska fysiska arrangemang, visade att alla kända parningar hade nästan identiska grafer. Inga sådana identiska grafer hittades bland par som inte var föremål för transformation.

Fyndet avslöjade några tidigare okända parningar, av vilka några visade sig stämma överens med preliminära laboratorieobservationer som inte tidigare hade identifierats som sådana, vilket bidrar till att validera den nya modellen. Systemet var också framgångsrikt med att förutsäga vilka former av zeoliter som kan växa samman - bildar kombinationer av två typer som är sammanflätade som fingrarna på två knäppta händer. Sådana kombinationer är också kommersiellt användbara, till exempel för sekventiella katalyssteg med användning av olika zeolitmaterial.

Mogna för vidare forskning

De nya fynden kan också hjälpa till att förklara varför många av de teoretiskt möjliga zeolitformationerna inte verkar existera. Eftersom vissa former lätt förvandlas till andra, det kan vara så att några av dem förändras så snabbt att de aldrig observeras på egen hand. Screening med den grafbaserade metoden kan avslöja några av dessa okända parningar och visa varför dessa kortlivade former inte ses.

Vissa zeoliter, enligt grafmodellen, "har inga hypotetiska partners med samma graf, så det är inte vettigt att försöka förvandla dem, men vissa har tusentals partners" och är därför mogna för ytterligare forskning, säger Gomez-Bombarelli.

I princip, de nya rönen kan leda till utvecklingen av en mängd nya katalysatorer, inställda på de exakta kemiska reaktioner de är avsedda att främja. Gomez-Bombarelli säger att nästan vilken reaktion som helst kan hypotetiskt hitta ett lämpligt zeolitmaterial för att främja den.

"Experimentalister är mycket glada över att hitta ett språk för att beskriva deras transformationer som är prediktivt, " han säger.