Beräkningsmetoder möjliggör kontroll av faskonkurrens mellan zeolitramverk. Konstnärens intryck av hur en datordesignad molekyl kan syntetisera två olika ramverk. Kredit:Schwalbe-Koda et al.
Zeoliter, grupper av mineraler som består av hydratiserade aluminosilikater, är kända för att vara mycket lovande material för ett antal tillämpningar. Till exempel, de kan användas som katalysatorer, katjonbytare och molekylsiktar.
Medan många tidigare studier har undersökt potentialen hos dessa material, Hittills har hanteringen av faskonkurrens under zeolitsyntes visat sig vara utmanande och arbetskrävande. Termen zeolitsyntes hänvisar till de processer genom vilka zeoliter kan skapas eller syntetiseras i labbet.
Forskare vid Massachusetts Institute of Technology (MIT), i samarbete med forskare vid Polytechnic University of Valencia och Stockholms universitet, har nyligen föreslagit en ny strategi för att kontrollera fasselektivitet under schablonbaserade zeolitsyntesprocesser. Denna strategi, presenteras i en tidning publicerad i Vetenskap , bygger på den kombinerade användningen av atomistiska simuleringar, litteraturbrytning, människa-dator interaktioner, syntes- och materialkaraktäriseringstekniker.
"Vår forskning i Learning Matter Lab vid MIT fokuserar på nål-i-en-höstack-problem inom materialvetenskap, " Rafael Gomez-Bombarelli, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "Att designa en molekyl som selektivt mallar en given zeolit har varit ett svårt kombinatoriskt problem i årtionden, med mycket trial and error i labbet. Även om atomistiska simuleringar historiskt sett har hjälpt, traditionella metoder saknade rollen som selektivitet eftersom de fokuserade på en enda zeolit åt gången."
Beräkningsmetoder möjliggör design av mallar för zeolithåligheter. Kredit:Schwalbe-Koda et al.
Gomez-Bombarelli och hans kollegor använde simuleringar med hög genomströmning baserade på molekylär mekanik för att kvantifiera affiniteten hos olika molekylära mallar till både zeoliten de försökte skapa och de som var olämpliga för en given tillämpning. Teamet hämtade information från över 586, 000 zeolit-molekylsimuleringar som var anpassade till befintlig litteratur inom materialdesign.
"Med hjälp av dessa simuleringar, vi hittade mallar som är mest selektiva även om de inte är de starkaste bindemedlen, " Daniel Schwalbe-Koda, en annan forskare involverad i studien, berättade för Phys.org. "Tack vare snabba algoritmer som vi finjusterade under föregående år och som vi jämförde med årtionden av litteraturdata, våra simuleringar var storleksordningar snabbare än traditionella metoder och gjorde det möjligt för oss att nå ett stort antal kombinationer mycket effektivt."
Resultaten av simuleringarna ledde till identifieringen av flera möjliga konstruktioner för zeoliter som potentiellt skulle kunna realiseras i framtiden. Även om det inte finns någon säkerhet att alla mönster de identifierade skulle vara idealiska, verk av Gomez-Bombarelli, Schwalbe-Koda och deras kollegor skulle kunna hjälpa till att begränsa sökandet efter lovande zeolitdesigner och påskynda zeolitsyntesprocesser.
"Teori har vanligtvis stött experiment inom zeolitvetenskap, men ledde sällan vägen, "Manuel Moliner, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "Med dessa nya insikter, våra chanser att lyckas när vi ger oss i kast med att tillverka nya material i labbet är mycket högre och det finns massor av outnyttjad potential i molekyler som inte hade fått uppmärksamhet men som kan låsa upp nya, effektiva och kostnadseffektiva katalysatorer."
Faskonkurrens är kvantifierad för mer än 200 kända zeoliter och all litteraturmallar. Simuleringsresultaten gör det möjligt för forskare att inte bara hitta bra molekyler för ett givet ramverk, men vilka ramverk som sannolikt kommer att kristallisera när en given molekyl används i syntesen. Kredit:Schwalbe-Koda et al.
Denna senaste studie bekräftar att högpresterande beräkningsverktyg och algoritmer kan spela en nyckelroll i identifieringen av nya lovande material. Ändå, forskarna är övertygade om att expertmänniskors intuition fortfarande är nödvändig när man analyserar datorsimuleringar eller en algoritms förutsägelser.
"Vid slutet av dagen, människor är slutanvändarna av data, så vi bör försöka göra det så användbart som möjligt för praktiska tillämpningar, ", sade Schwalbe-Koda. "En av mina favoritinsikter i vår studie är att molekylformen är en stor prediktor för selektivitet. Vi kunde skapa ett nytt material som ligger halvvägs mellan två kända, genom att använda en mall vars form är halvvägs mellan de traditionellt använda molekylerna."
Den nya beräkningsstrategin för att kontrollera zeolitsyntes och struktursammansättning presenterad av Gómez-Bombarelli, Schwalbe-Koda, Moliner och deras kollegor kan snart hjälpa till med upptäckten av nya lovande zeolitmallar. Detta kan få viktiga konsekvenser för flera forskningsområden, inklusive energiområdet och insatser för att hantera klimatförändringarna. Forskarna har därför beslutat att göra sina uppgifter offentligt tillgängliga via en interaktiv webbsida online.
"Det finns många spännande vägar för framtida forskning, ", sa Moliner. "Två som är av teoretiskt och praktiskt intresse kommer att tänka på. En är att anpassa sammansättningen och geometrin hos den katalytiska fickan i zeoliten och gå mot "oorganiska enzymer". En annan är att inse helt nya zeoliter som för närvarande förblir rent hypotetiska. Genom att göra vår simuleringsdata tillgänglig för samhället förväntar vi oss att andra också kommer att bli inspirerade att följa nya kreativa riktningar."
© 2021 Science X Network
