沸石的新数学理解可能导致发现催化和过滤的新材料

对工业过程中广泛应用的矿物的研究可能导致发现催化和过滤的新材料。

沸石是一类天然或制造的矿物质，带有海绵状结构，充满了微小的毛孔，使它们可用作催化剂或超细过滤器。但是在理论上可能的数百万的沸石组合物中，到目前为止只发现或制造了大约248个。现在，来自麻省理工学院的研究有助于解释为什么只发现这个小型子集，并且可以帮助科学家发现或产生更多具有所需特性的沸石。

2019年10月7日，在Journal Nature Materials中报告了新的调查结果，其中丹尼尔·施瓦尔贝·柯达和Zach Jensen凭借麻省理工学院研究生，教授Elsa Olivetti和Rafael Gomez-Bombarelli。

以前的尝试为什么只识别出这种可能的沸石组合物的原因，并解释了为什么某些类型的沸石可以转化为特定的其他类型，未能提出与观察到的数据匹配的理论。现在，麻省理工学院团队开发了一种描述不同分子结构的数学方法。该方法基于图表理论，其可以预测可以从一个到另一个转换的沸石类型对。

这可能是寻找针对特定目的量身定制的沸石的方法的重要一步。它也可能导致生产的新途径，因为它预测了先前未观察到的某些变换。并且，它表明，由于一些预测的配对将导致进入新型沸石结构的转变，因此提出了从未见过的沸石的可能性。

Interzeolite转型

今天广泛使用沸石在施​​用炼油厂中的石油“破解”和吸收气味作为猫砂箱填料中的组件的应用中的应用中广泛使用。如果研究人员可以创造新类型的沸石，例如具有适合于特定类型的过滤类型的孔径，甚至可能是可能的。

各种沸石是硅酸盐矿物质，在化学成分中与石英相似。事实上，在地质时间尺度上，它们最终将变成石英 - 一种矿物质的更密集的形式 - 解释了戈麦斯 - Bombarelli，他是丰田助理材料加工教授。但是，与此同时，它们处于“亚稳态”形式，其有时可以通过施加热或压力或两者转换成不同的亚稳态形式。这些转化中的一些是众所周知的并且已经用于从更容易获得的自然形式产生所需的沸石品种。

目前，许多沸石是通过使用称为OSDAs（有机结构引导剂）的化学化合物制备，其为其结晶提供一种模板。但戈麦斯 - Bombarelli说，如果它可以通过另一种，易于可用的沸石的转变来制作，“这真的很令人兴奋。如果我们不需要使用OSDAS，那么它就会更便宜[生产材料]。有机材料很昂贵。我们可以避免有机物让我们更接近工业规模的生产。“

研究人员发现，研究人员的不同沸石化合物结构的传统化学建模，没有真正的线索找到可以容易地从一个转变为另一对的沸石。在结构上类似的化合物有时不受这种转换的影响，并且其他相对于容易交换的其他成对。为了引导他们的研究，该团队使用了以前由Olivetti集团开发的人工智能系统，以“阅读”沸石上的70,000多个研究论文，并选择那些专门识别透明型转变的研究。然后，它们详细研究了这些对以试图确定共同的特征。

他们发现的是，基于图表理论的拓扑描述，而不是传统的结构建模，清楚地确定了相关的配对。基于固体中的化学键的数量和位置而不是其实际物理布置的这些基于图表的描述表明，所有已知的配对具有几乎相同的图形。在不受转化的成对之间没有发现这种相同的图。

该发现揭示了一些先前未知的配对，其中一些原因与之前未被识别的初步实验室观察相匹配，从而有助于验证新模型。该系统也成功地预测了哪种形式的沸石可以相互作合的 - 形成两种类型的组合，这些组合在两个扣上手上的手指上的交错。这种组合也是商业上有用的，例如用于使用不同沸石材料的连续催化步骤。

成熟的进一步研究

新发现也可能有助于解释为什么理论上可能的沸石形成似乎没有实际存在。由于某些形式容易转变为别人，因此它们可能是其中一些很快转变，因为它们永远不会被自己观察到。使用基于图形的方法进行筛选可以揭示一些这些未知的配对，并显示为什么没有看到那些短寿命的形式。

一些沸石，根据图形模型，“没有具有相同图表的假设伙伴，所以尝试改变它们并没有意义，但有些有数千个合作伙伴”，因此进一步研究成熟，戈麦斯 - 庞巴拉利说。

原则上，新发现可能导致各种新催化剂的发展，调整到它们旨在促进的精确化学反应。Gomez-Bombarelli说，几乎任何所需的反应都可以假设促使合适的沸石材料促进它。

“实验主义者非常兴奋地找到一种语言来描述他们预测的改造，”他说。

这项工作是“了解Interzeolite转型的重大进步，这已成为由于利用这些流程来提高商业沸石生产效率和经济的可能性，这已成为越来越重要的话题，”化学副教授Jeffrey Rimer说休斯顿大学的生物分子工程，没有参与这项研究。

瓦伦西亚技术大学的班尔·莫里尔（Manuel Moliner）在西班牙，也没有与这项研究没有与本研究有关的情况下：“了解涉及特定的间渗透沸石的对，考虑到曾不只有曾经合成的沸石，也考虑到曾经合成的数百个假设的沸石，为具有潜在利息的靶沸石合理化和指导具有潜在利益的特定实际机会。”

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该研究部分受到国家科学基金会和海军研究办公室的支持。

参考：“图象相似性驱动沸石扩散无变变换和史杂曲线”由Daniel Schwalbe-Koda，Zach Jensen，Elsa Olivetti和RafaelGómez-Bombarelli，2019年10月7日，自然材料.DOI：
10.1038 / S41563-019-0486-1