Las zeolitas son una clase de minerales naturales o manufacturados con una estructura similar a una esponja, plagada de poros diminutos que los hacen útiles como catalizadores o filtros ultrafinos. Pero de los millones de composiciones de zeolita que son teóricamente posibles, hasta ahora solo 248 tienenalguna vez descubierto o hecho. Ahora, la investigación del MIT ayuda a explicar por qué solo se ha encontrado este pequeño subconjunto, y podría ayudar a los científicos a encontrar o producir más zeolitas con las propiedades deseadas.
Los nuevos hallazgos se informan esta semana en la revista Materiales de la naturaleza , en un documento de los estudiantes de posgrado del MIT Daniel Schwalbe-Koda y Zach Jensen, y los profesores Elsa Olivetti y Rafael Gomez-Bombarelli.
Los intentos anteriores para descubrir por qué solo se ha identificado este pequeño grupo de posibles composiciones de zeolita, y para explicar por qué ciertos tipos de zeolitas pueden transformarse en otros tipos específicos, no han podido llegar a una teoría que coincida con los datos observados.Ahora, el equipo del MIT ha desarrollado un enfoque matemático para describir las diferentes estructuras moleculares. El enfoque se basa en la teoría de grafos, que puede predecir qué pares de tipos de zeolita se pueden transformar de uno a otro.
Este podría ser un paso importante para encontrar formas de hacer que las zeolitas se adapten a fines específicos. También podría conducir a nuevas vías de producción, ya que predice ciertas transformaciones que no se han observado previamente. Y sugiere la posibilidad de producir zeolitaseso nunca se había visto antes, ya que algunos de los emparejamientos previstos conducirían a transformaciones en nuevos tipos de estructuras de zeolita.
Transformaciones interzeolíticas
Hoy en día, las zeolitas se usan ampliamente en aplicaciones tan variadas como catalizar el "craqueo" del petróleo en las refinerías y absorber olores como componentes en el relleno de la caja de arena para gatos. Incluso más aplicaciones pueden ser posibles si los investigadores pueden crear nuevos tipos de zeolitas, por ejemplo con porostamaños adecuados para tipos específicos de filtración.
Todo tipo de zeolitas son minerales de silicato, similares en composición química al cuarzo. De hecho, en escalas de tiempo geológicas, todos eventualmente se convertirán en cuarzo, una forma mucho más densa del mineral, explica Gómez-Bombarelli, quien es elProfesor asistente de Toyota en procesamiento de materiales. Pero mientras tanto, están en una forma "metaestable", que a veces se puede transformar en una forma metaestable diferente mediante la aplicación de calor o presión o ambas. Algunas de estas transformaciones son bien conocidas y ya se utilizanpara producir las variedades de zeolita deseadas a partir de formas naturales más fácilmente disponibles.
Actualmente, muchas zeolitas se producen mediante el uso de compuestos químicos conocidos como OSDA agentes organizadores de estructuras orgánicas, que proporcionan una especie de plantilla para su cristalización. Pero Gómez-Bombarelli dice que si se pueden producir a través de la transformación de otro, forma fácilmente disponible de zeolita, "eso es realmente emocionante. Si no necesitamos usar OSDA, entonces es mucho más barato [producir el material]. El material orgánico es caro. Cualquier cosa que podamos hacer para evitar los orgánicos nos acerca mása la producción a escala industrial "
Los modelos químicos tradicionales de la estructura de diferentes compuestos de zeolita, según los investigadores, no proporcionan una pista real para encontrar los pares de zeolitas que pueden transformarse fácilmente de uno a otro. Los compuestos que parecen estructuralmente similares a veces no están sujetos a tales transformaciones,y otros pares que son bastante diferentes resultan fácilmente intercambiables. Para guiar su investigación, el equipo usó un sistema de inteligencia artificial previamente desarrollado por el grupo Olivetti para "leer" más de 70,000 trabajos de investigación sobre zeolitas y seleccionar aquellos que identifican específicamente las transformaciones de interzeolita.Luego estudiaron esos pares en detalle para tratar de identificar características comunes.
Lo que encontraron fue que una descripción topológica basada en la teoría de grafos, en lugar del modelo estructural tradicional, identificaba claramente los emparejamientos relevantes. Estas descripciones basadas en gráficos, basadas en el número y la ubicación de los enlaces químicos en los sólidos en lugar de su físico realdisposición, mostró que todos los emparejamientos conocidos tenían gráficos casi idénticos. No se encontraron gráficos idénticos entre pares que no estaban sujetos a transformación.
El hallazgo reveló algunos emparejamientos previamente desconocidos, algunos de los cuales resultaron coincidir con observaciones preliminares de laboratorio que no se habían identificado previamente como tales, lo que ayudó a validar el nuevo modelo. El sistema también tuvo éxito al predecir qué formas de zeolitaspueden entrecruzarse formando combinaciones de dos tipos que se entrelazan como los dedos en dos manos entrelazadas. Estas combinaciones también son comercialmente útiles, por ejemplo, para etapas de catálisis secuencial utilizando diferentes materiales de zeolita.
Maduro para futuras investigaciones
Los nuevos hallazgos también podrían ayudar a explicar por qué muchas de las formaciones de zeolita teóricamente posibles no parecen existir realmente. Dado que algunas formas se transforman fácilmente en otras, puede ser que algunas de ellas se transformen tan rápido que nunca se observan en suLa detección usando el enfoque basado en gráficos puede revelar algunos de estos emparejamientos desconocidos y mostrar por qué no se ven esas formas de corta duración.
Algunas zeolitas, según el modelo gráfico, "no tienen socios hipotéticos con el mismo gráfico, por lo que no tiene sentido tratar de transformarlos, pero algunos tienen miles de socios" y, por lo tanto, están listos para futuras investigaciones, Gómez-Bombarelli dice.
En principio, los nuevos hallazgos podrían conducir al desarrollo de una variedad de nuevos catalizadores, ajustados a las reacciones químicas exactas que pretenden promover. Gomez-Bombarelli dice que casi cualquier reacción deseada podría encontrar hipotéticamente un material de zeolita apropiado para promovereso.
"Los experimentadores están muy emocionados de encontrar un lenguaje para describir sus transformaciones que sea predictivo", dice.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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