Cristalli di zeoliti, utilizzato tra l'altro per raffinare il petrolio in benzina e la biomassa in biocarburanti, sono i catalizzatori più utilizzati in peso sul pianeta, e scoprire i meccanismi di come si formano è stato di intenso interesse per l'industria chimica e i relativi ricercatori, dicono il chimico Scott Auerbach e colleghi dell'Università del Massachusetts Amherst. Sperano che il loro progresso su un nuovo modo di comprendere la struttura e le vibrazioni della zeolite porti a nuove, zeoliti su misura per l'uso in nuove applicazioni sofisticate.

La loro storia di copertina in un recente numero di Giornale della Società Chimica Americana descrive come il team ha utilizzato analisi sistematiche e una tecnica chiamata spettroscopia Raman, più modellazione meccanica quantistica, per scoprire nuovi elementi costitutivi su nanoscala che chiamano "ponti triciclici, " per aiutare a spiegare le strutture porose delle zeoliti e i loro comportamenti dinamici.

Auerbach dice, "Questa scoperta è importante perché ci dà un modo per vedere l'invisibile, le strutture precise che portano ai cristalli di zeolite. Speriamo che tali intuizioni strutturali ci aiutino a sintetizzare nuovi, zeoliti su misura per applicazioni avanzate nell'energia pulita e nella cattura del carbonio." I suoi coautori includono l'ingegnere chimico Wei Fan e il primo autore Tongkun Wang presso UMass Amherst, con altri al Worcester Polytechnic Institute.

Gli autori affermano che sostituendo i precedenti approcci "troppo semplicistici", i loro metodi possono "migliorare la nostra capacità di utilizzare la spettroscopia Raman come strumento analitico per studiare la struttura e la formazione della zeolite, utilizzando il concetto di ponti triciclici."

In questo lavoro, supportato dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, Divisione di Scienza e Ingegneria dei Materiali, Auerbach e colleghi affermano che la rivelazione della sintesi della zeolite è complicata dal fatto che le strutture precursori sono di medie dimensioni, quindi cadono in un "punto cieco" su scala nanometrica, troppo grande per analisi strutturali a livello atomico e di gruppi funzionali e troppo disordinato per le analisi a raggi X. Al contrario, La spettroscopia Raman "è emersa come un potente strumento per sondare strutture a medio raggio in una varietà di materiali, " fanno notare.

Fan spiega che fino ad ora, gli studi sperimentali sulla sintesi di zeoliti con nuove strutture e composizioni si basavano su metodi per tentativi ed errori, e caratterizzare il processo rappresentava una "sfida allettante". Il loro contributo basato sui ponti triciclici fornisce un nuovo strumento per comprendere il percorso di cristallizzazione, aprendo le porte alla progettazione di materiali per applicazioni avanzate in catalisi e separazioni, affermano.

Ulteriore, sottolineano che "si presume spesso con poche prove che le bande Raman possano essere assegnate a singoli anelli di zeolite". Hanno testato questa ipotesi e hanno scoperto che i ponti triciclici, raccolte di tre anelli di zeolite collegati tra loro, svolgono un ruolo fondamentale nella formazione della zeolite. Usando questo, hanno scoperto una relazione precisa tra l'angolo di legame della zeolite e la frequenza Raman che può essere utilizzata per individuare le strutture che si formano durante la cristallizzazione della zeolite.

Nel lavoro futuro, Auerbach, Fan e il loro team pianificano di misurare e modellare gli spettri Raman durante il processo di cristallizzazione della zeolite, per determinare quali ponti triciclici sono presenti e verranno ereditati dalle zeoliti risultanti.