Новости химической науки > Цеолиты организуются как фигурки тетриса

Новая модель, описывающая организацию цеолитов из простых строительных блоков, может применяться для предсказания строения и возможностей практического применения существующих каркасов на основе цеолитов. Модель может объяснить, почему лишь малая часть из миллионов гипотетических структур цеолитов реально существует, а также может помочь предсказать структуры для будущего синтеза.

Практическое применение цеолитов как материалов для катализаторов или молекулярных сит обусловлено их упорядоченным микропористым строением. Большая часть цеолитов имеют в своей основе тетраэдрически координированные «атомы-Т» – обычно это атомы кремния или алюминия, связанные с помощью кислородных мостиков. Тем не менее, особые свойства цеолитов определяются способом организации систем TO₂ в каркасные структуры. Число таких структур, которые можно смоделировать, доходит до миллиона. Самый интересный вопрос, в связи с этим – почему к настоящему времени синтезировано только 200 из этих цеолитов, более того, в природе существует еще меньшее количество цеолитных минералов.

Рисунок из Chem. Mater., 2013, DOI: 10.1021/cm303528u

Для того, чтобы решить загадку пропавших структур, Владислав Блатов (Vladislav Blatov) из Самарского государственного университета с коллегами предложил новую модель организации каркасов цеолитного типа. К настоящему моменту модель корректно предсказала свойства 189 реально существующих цеолитов из 2000 гипотетических структур. Исследователь утверждает, что новый подход может существенно сузить круг для поиска новых цеолитов из миллионов гипотетически возможных, а также воодушевить химиков-неоргаников синтезировать такие структуры.

Ключом для успеха моделирование является разложение всего каркаса на мельчайшие строительные блоки – природные строительные блоки [natural building units (NBU)] с последующим вычислением того, как они могут связываться друг с другом на основании строгих правил, исследователи использовали новый алгоритм для подразделения каркаса цеолита на многогранники.

Хотя идея с подразделением структуры цеолитов на строительные блоки – многогранники, имеет долгую историю, природные строительные блоки, предложенные исследователями из Самары, уникальны из-за того, что они соответствуют настоящим полостям и клеткам. Все каркасные структуры, построенные ими, описывались за счет связывания одинаковых или различных строительных блоков гранями за счет реакции поликонденсации. Таким образом, рассматривалась такая топология сборки цеолитов, в которых мостики T–O–T не содержали одинаковых T-атомов. Было обнаружено, что все известные цеолиты могут быть фрагментированы в соответствии с этими правилами, если же гипотетическая (пусть даже и термодинамически устойчивая структура) не соответствует этому правилу, ее невозможно синтезировать. Таким образом, как утверждает Блатов, критерии самоорганизации цеолитов не термодинамические, а кинетические – многие гипотетические каркасные структуры цеолитов не могут существовать просто из-за того, что они не могут самоорганизоваться из элементарных строительных блоков. В настоящее время исследователи планируют изучить как можно больше гипотетически возможных цеолитов и проранжировать их в соответствии с вероятностью их существования.

Источник: Chem. Mater., 2013, DOI: 10.1021/cm303528u

метки статьи: #квантовая химия, #неорганическая химия, #химическая технология, #химия твердого тела