中國粉體網(wǎng)訊 沸石是一類天然或人造礦物，具有海綿狀結(jié)構(gòu)，表面布滿微孔，可用作催化劑或超細(xì)過濾器。但目前為止，理論上數(shù)百萬種沸石組合物中，僅發(fā)現(xiàn)或制造了約248種�，F(xiàn)在，麻省理工學(xué)院的最新研究有助于解釋為什么只發(fā)現(xiàn)了這一小部分，并可以幫助研究人員發(fā)現(xiàn)或生產(chǎn)更多具有所需性能的沸石。
傳統(tǒng)沸石結(jié)構(gòu)示意圖©MIT
麻省理工學(xué)院的研究生丹尼爾·施瓦貝·科達(dá)和扎克·詹森，以及艾爾莎·奧利維蒂教授和拉斐爾·戈麥斯·邦巴雷利教授在《自然材料》雜志上報(bào)道了這一新發(fā)現(xiàn)。
先前嘗試找出為什么只識別出這小部分可能的沸石成分，并解釋為什么某些類型的沸石可以轉(zhuǎn)化為特定的其他類型的嘗試，卻未能提出與觀察到的數(shù)據(jù)相匹配的理論�，F(xiàn)在，麻省理工學(xué)院的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開發(fā)出一種基于圖論的數(shù)學(xué)方法來描述不同的沸石分子結(jié)構(gòu)。該方法可以預(yù)測哪些沸石可以從一種類型轉(zhuǎn)化為另一種。
這可能是尋找制造“私人定制”沸石方法的關(guān)鍵一步。由于它可以預(yù)測以前未曾觀察到的某些沸石轉(zhuǎn)變，因此也可能發(fā)現(xiàn)新的生產(chǎn)途徑。并且，它帶來了生產(chǎn)新沸石的可能性，因?yàn)槟承╊A(yù)測的配對將轉(zhuǎn)變?yōu)樾滦偷姆惺Y(jié)構(gòu)。
各種沸石都是硅酸鹽礦物，化學(xué)成分與石英相似。實(shí)際上，在地質(zhì)時(shí)間尺度上，它們最終都將轉(zhuǎn)變?yōu)槭�。但是與此同時(shí)，它們處于“可變換”形式，有時(shí)可以通過施加熱量或施加壓力或同時(shí)施加熱量和壓力將其轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌膩喎�(wěn)態(tài)形式。這些轉(zhuǎn)化中的一些是已知的，并且已經(jīng)用于從更容易獲得的天然形式生產(chǎn)所需的沸石品種。
當(dāng)前，許多沸石是通過使用稱為OSDA（有機(jī)結(jié)構(gòu)定向劑）的化合物生產(chǎn)的，這些化合物提供了一種結(jié)晶模板。但是戈麥斯-邦巴拉利（豐田公司材料加工助理教授）表示，如果可以通過轉(zhuǎn)化另一種易于獲得的沸石來生產(chǎn)新沸石，那將是讓人激動(dòng)的事。因?yàn)槿绻覀儾恍枰褂肙SDA，那么我們就可以大幅度的降低生產(chǎn)成本。有機(jī)材料昂貴的價(jià)格某種程度上限制了沸石工業(yè)化發(fā)展。
研究人員發(fā)現(xiàn)，對不同沸石化合物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行傳統(tǒng)的化學(xué)建模，并沒有找到找到可以容易地從一種轉(zhuǎn)化為另一種的沸石對的線索。在結(jié)構(gòu)上看起來相似的化合物有時(shí)不會進(jìn)行此類轉(zhuǎn)化，而其他非常相似的化合物對很容易互換。為了指導(dǎo)他們的研究，該團(tuán)隊(duì)使用了由Olivetti小組先前開發(fā)的人工智能系統(tǒng)來“閱讀”超過70,000篇關(guān)于沸石的研究論文，并選擇專門鑒定沸石間轉(zhuǎn)化的論文。然后，他們詳細(xì)研究了這些對，以嘗試確定共同的特征。
他們發(fā)現(xiàn)，基于圖論而不是傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)建模的拓?fù)涿枋銮宄貥?biāo)識了相關(guān)的配對。這些基于圖的描述基于固體中化學(xué)鍵的數(shù)量和位置，而不是其實(shí)際物理排列，表明所有已知的配對都具有幾乎相同的圖。在未進(jìn)行轉(zhuǎn)換的對之間未找到此類相同的圖。
該發(fā)現(xiàn)揭示了一些以前未知的配對，其中一些與先前尚未鑒定出的初步實(shí)驗(yàn)室觀察結(jié)果相匹配，從而有助于驗(yàn)證新模型。該系統(tǒng)還成功地預(yù)測了哪些類型的沸石可以共生——形成兩種類型的組合，這些類型的交織就像兩只緊握的手。這樣的組合在商業(yè)上也是有用的，例如用于使用不同沸石材料的連續(xù)催化。
新的發(fā)現(xiàn)也可能有助于解釋為什么許多理論上可能的沸石形成似乎并不存在。由于某些形式很容易轉(zhuǎn)換為其他形式，因此可能其中某些形式轉(zhuǎn)換得如此之快，以至于無法獨(dú)立觀察。使用基于圖的方法進(jìn)行篩選可能會揭示其中的一些未知配對，并說明為什么看不到那些短暫的形式。
根據(jù)圖模型，一些沸石“在相同的圖中沒有假設(shè)的配對，因此嘗試對其進(jìn)行轉(zhuǎn)化沒有任何意義，但有些沸石具有數(shù)千個(gè)配對”，因此進(jìn)一步研究的時(shí)機(jī)已經(jīng)成熟�？蒲腥藛T人員很高興找到一種語言來描述其可預(yù)測的變化。
原則上，這些新發(fā)現(xiàn)可能會導(dǎo)致開發(fā)出各種新型催化劑，并根據(jù)它們要促進(jìn)的確切化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行調(diào)整。幾乎所有需要的反應(yīng)都可以假設(shè)找到合適的沸石材料來促進(jìn)它。
休斯頓大學(xué)的生物分子工程專業(yè)化學(xué)副教授杰弗里·里默（Jeffrey Rimer）認(rèn)為：“這項(xiàng)工作是對分子間轉(zhuǎn)變的理解的一項(xiàng)重大進(jìn)步，由于使用這些工藝可以提高商業(yè)沸石生產(chǎn)的效率和經(jīng)濟(jì)性，這已經(jīng)成為越來越重要的話題”。
西班牙瓦倫西亞技術(shù)大學(xué)的終身科學(xué)家曼努埃爾·莫利納（Manuel Moliner）也認(rèn)為：“了解特定的沸石間轉(zhuǎn)變涉及的分子對，不僅要考慮已知的沸石，還要考慮數(shù)百種從未被合成過的假想沸石。這個(gè)新的方法為合理化和指導(dǎo)可能作為工業(yè)催化劑沸石的合成提供了特殊的實(shí)踐機(jī)會�！�
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/江岸）
資料來源：MIT官網(wǎng)
