Corrispondenza tra grafico e supercella. un, Rappresentazione di una zeolite mediante un grafico (a sinistra). Il grafico della cella unitaria (al centro) viene modificato per soddisfare le condizioni al contorno periodiche ricollegando i legami nella cella unitaria (a destra). B, Grafico della distanza tra diverse strutture cristalline ipotetiche. La distanza d tra i grafici dei cristalli varia con la scelta della cella unitaria cristallografica. Nell'esempio dato, le matrici di trasformazione sono M(A) =2I e M(B) =I , con I la matrice identità. Con la scelta di una metrica appropriata, d2≤d1. C, Ipotetica trasformazione A–B. La fase di rottura del legame rimuove due bordi extra dal grafico del cristallo M(A)A per abbinare il grafico del cristallo M(B)B, ed è seguito da una trasformazione senza diffusione a grafico costante. Credito: Materiali della natura (2019). DOI:10.1038/s41563-019-0486-1
Le zeoliti sono una classe di minerali naturali o artificiali con una struttura spugnosa, crivellati di minuscoli pori che li rendono utili come catalizzatori o filtri ultrafini. Ma dei milioni di composizioni di zeolite che sono teoricamente possibili, finora solo circa 248 sono stati scoperti o realizzati. Ora, la ricerca del MIT aiuta a spiegare perché è stato trovato solo questo piccolo sottoinsieme, e potrebbe aiutare gli scienziati a trovare o produrre più zeoliti con le proprietà desiderate.
Le nuove scoperte sono state riportate questa settimana sulla rivista Materiali della natura , in un articolo degli studenti laureati del MIT Daniel Schwalbe-Koda e Zach Jensen, ei professori Elsa Olivetti e Rafael Gomez-Bombarelli.
Precedenti tentativi di capire perché è stato identificato solo questo piccolo gruppo di possibili composizioni zeolitiche, e per spiegare perché certi tipi di zeoliti possono essere trasformati in specifici altri tipi, non sono riusciti a elaborare una teoria che corrisponda ai dati osservati. Ora, il team del MIT ha sviluppato un approccio matematico per descrivere le diverse strutture molecolari. L'approccio si basa sulla teoria dei grafi, che può prevedere quali coppie di tipi di zeolite possono essere trasformate dall'una all'altra.
Questo potrebbe essere un passo importante verso la ricerca di modi per realizzare zeoliti su misura per scopi specifici. Potrebbe anche portare a nuovi percorsi di produzione, poiché prevede alcune trasformazioni che non sono state precedentemente osservate. E, suggerisce la possibilità di produrre zeoliti mai viste prima, poiché alcuni degli accoppiamenti previsti porterebbero a trasformazioni in nuovi tipi di strutture zeolitiche.
Trasformazioni interzeolitiche
Le zeoliti sono oggi ampiamente utilizzate in applicazioni diverse come la catalizzazione del "cracking" del petrolio nelle raffinerie e l'assorbimento degli odori come componenti nel riempimento della lettiera per gatti. Potrebbero essere possibili ancora più applicazioni se i ricercatori riuscissero a creare nuovi tipi di zeoliti, ad esempio con dimensioni dei pori adatte a specifici tipi di filtrazione.
Tutti i tipi di zeoliti sono minerali di silicato, simile nella composizione chimica al quarzo. Infatti, su tempi geologici, alla fine si trasformeranno tutti in quarzo, una forma molto più densa del minerale, spiega Gomez-Bombarelli, chi è l'assistente professore di Toyota nella lavorazione dei materiali. Ma nel frattempo, sono in una forma "metastabile", che a volte può essere trasformato in una forma metastabile diversa applicando calore o pressione o entrambi. Alcune di queste trasformazioni sono ben note e già utilizzate per produrre varietà di zeolite desiderate da forme naturali più facilmente disponibili.
Attualmente, molte zeoliti sono prodotte utilizzando composti chimici noti come OSDA (agenti direttivi della struttura organica), che forniscono una sorta di modello per la loro cristallizzazione. Ma Gomez-Bombarelli dice che se invece possono essere prodotti attraverso la trasformazione di un altro, forma prontamente disponibile di zeolite, "è davvero eccitante. Se non abbiamo bisogno di usare gli OSDA, allora è molto più economico [produrre il materiale]. Il materiale organico è costoso. Tutto ciò che possiamo fare per evitare il biologico ci avvicina alla produzione su scala industriale".
Modellazione chimica tradizionale della struttura di diversi composti zeolitici, ricercatori hanno scoperto, non fornisce alcun indizio reale per trovare le coppie di zeoliti che possono facilmente trasformarsi dall'una all'altra. Composti che appaiono strutturalmente simili a volte non sono soggetti a tali trasformazioni, e altre coppie abbastanza dissimili risultano facilmente intercambiabili. Per guidare la loro ricerca, il team ha utilizzato un sistema di intelligenza artificiale precedentemente sviluppato dal gruppo Olivetti per "leggere" più di 70, 000 articoli di ricerca sulle zeoliti e seleziona quelli che identificano specificamente le trasformazioni interzeolitiche. Hanno quindi studiato quelle coppie in dettaglio per cercare di identificare caratteristiche comuni.
Quello che hanno scoperto è che una descrizione topologica basata sulla teoria dei grafi, piuttosto che la modellazione strutturale tradizionale, chiaramente identificato gli abbinamenti rilevanti. Queste descrizioni basate su grafici, in base al numero e alla posizione dei legami chimici nei solidi piuttosto che alla loro effettiva disposizione fisica, ha mostrato che tutti gli accoppiamenti conosciuti avevano grafici quasi identici. Non sono stati trovati grafici identici tra le coppie che non erano soggette a trasformazione.
La scoperta ha rivelato alcuni accoppiamenti precedentemente sconosciuti, alcune delle quali si sono rivelate coincidenti con osservazioni di laboratorio preliminari che non erano state precedentemente identificate come tali, contribuendo così a validare il nuovo modello. Il sistema è riuscito anche a prevedere quali forme di zeoliti possono incrociarsi, formando combinazioni di due tipi che si intrecciano come le dita di due mani giunte. Tali combinazioni sono anche commercialmente utili, ad esempio per fasi di catalisi sequenziali che utilizzano diversi materiali zeolitici.
Maturi per ulteriori ricerche
Le nuove scoperte potrebbero anche aiutare a spiegare perché molte delle formazioni di zeolite teoricamente possibili non sembrano esistere realmente. Poiché alcune forme si trasformano facilmente in altre, può essere che alcuni di loro si trasformino così rapidamente da non essere mai osservati da soli. Lo screening utilizzando l'approccio basato sui grafici può rivelare alcuni di questi accoppiamenti sconosciuti e mostrare perché quelle forme di breve durata non si vedono.
alcune zeoliti, secondo il modello grafico, "non hanno partner ipotetici con lo stesso grafico, quindi non ha senso cercare di trasformarli, ma alcuni hanno migliaia di partner" e quindi sono maturi per ulteriori ricerche, dice Gomez-Bombarelli.
In linea di principio, le nuove scoperte potrebbero portare allo sviluppo di una varietà di nuovi catalizzatori, sintonizzati sulle esatte reazioni chimiche che intendono promuovere. Gomez-Bombarelli afferma che quasi ogni reazione desiderata potrebbe ipoteticamente trovare un materiale zeolitico appropriato per promuoverla.
"Gli sperimentatori sono molto entusiasti di trovare un linguaggio per descrivere le loro trasformazioni che sia predittivo, " lui dice.
