Las zeolitas son una clase de minerales naturales o manufacturados con una estructura similar a una esponja, plagado 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, sólo se han descubierto o fabricado unos 248. 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 artículo de los estudiantes graduados del MIT Daniel Schwalbe-Koda y Zach Jensen, y los profesores Elsa Olivetti y Rafael Gomez-Bombarelli.

Intentos anteriores de averiguar por qué solo se ha identificado este pequeño grupo de posibles composiciones de zeolita, y explicar por qué ciertos tipos de zeolitas se pueden transformar 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 hacia la búsqueda de formas de fabricar zeolitas adaptadas a propósitos 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 zeolitas nunca antes vistas, ya que algunos de los emparejamientos previstos conducirían a transformaciones en nuevos tipos de estructuras de zeolita.

Transformaciones de interzeolitas

Las zeolitas se usan ampliamente hoy en día en aplicaciones tan variadas como catalizar el "craqueo" del petróleo en refinerías y absorber olores como componentes en el relleno de cajas de arena para gatos. Incluso más aplicaciones pueden ser posibles si los investigadores pueden crear nuevos tipos de zeolitas, por ejemplo, con tamaños de poros adecuados para tipos específicos de filtración.

Todos los tipos de zeolitas son minerales de silicato, similar 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 el profesor 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 aplicando calor o presión o ambos. Algunas de estas transformaciones son bien conocidas y ya se utilizan para producir variedades de zeolitas deseadas a partir de formas naturales más fácilmente disponibles.

En la actualidad, muchas zeolitas se producen mediante el uso de compuestos químicos conocidos como OSDA (agentes directores de estructura orgánica), que proporcionan una especie de plantilla para su cristalización. Pero Gómez-Bombarelli dice que si en cambio se pueden producir mediante 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 a la producción a escala industrial ".

Modelado químico tradicional de la estructura de diferentes compuestos de zeolita, los investigadores han encontrado, no proporciona ninguna pista real para encontrar los pares de zeolitas que pueden transformarse fácilmente de una a otra. Los compuestos que parecen estructuralmente similares a veces no están sujetos a tales transformaciones, y otros pares que son bastante diferentes se intercambian fácilmente. Para guiar su investigación, el equipo utilizó un sistema de inteligencia artificial desarrollado previamente por el grupo de Olivetti para "leer" más de 70, 000 artículos de investigación sobre zeolitas y seleccionar aquellos que identifiquen específicamente las transformaciones entre zeolitas. 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 modelado estructural tradicional, identificó claramente los emparejamientos relevantes. Estas descripciones basadas en gráficos, según el número y la ubicación de los enlaces químicos en los sólidos en lugar de su disposición física real, 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 habían sido previamente identificadas como tales, ayudando así a validar el nuevo modelo. El sistema también tuvo éxito en predecir qué formas de zeolitas pueden crecer entre sí, formando combinaciones de dos tipos que se entrelazan como los dedos de dos manos entrelazadas. Estas combinaciones también son comercialmente útiles, por ejemplo, para las 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 zeolitas teóricamente posibles no parecen existir realmente. Dado que algunas formas se transforman fácilmente en otras, puede ser que algunos de ellos se transformen tan rápidamente que nunca se los observe por sí mismos. El cribado utilizando el enfoque basado en gráficos puede revelar algunos de estos emparejamientos desconocidos y mostrar por qué no se ven esas formas de vida corta.

Algunas zeolitas según el modelo gráfico, "no tienen socios hipotéticos con el mismo gráfico, así que no tiene sentido intentar transformarlos, pero algunos tienen miles de socios "y, por lo tanto, están listos para realizar más investigaciones, Dice Gomez-Bombarelli.

En principio, los nuevos hallazgos podrían conducir al desarrollo de una variedad de nuevos catalizadores, sintonizados con las reacciones químicas exactas que pretenden promover. Gomez-Bombarelli dice que casi cualquier reacción deseada podría hipotéticamente encontrar un material de zeolita apropiado para promoverla.

"Los experimentadores están muy emocionados de encontrar un lenguaje para describir sus transformaciones que sea predictivo, " él dice.