Zeolite是一類天然或人造的礦物，具有海綿狀結(jié)構(gòu)，上面布滿細小的孔，使其可用作催化劑或超細過濾器。但是在理論上可能的數(shù)百萬種沸石組合物中，到目前為止，僅發(fā)現(xiàn)或制造了約248種?，F(xiàn)在，麻省理工學院的研究有助于解釋為什么只發(fā)現(xiàn)了這一小部分，并可以幫助科學家發(fā)現(xiàn)或生產(chǎn)更多具有所需性能的沸石。

麻省理工學院的研究生丹尼爾·史瓦比·科達和扎克·詹森，以及艾爾莎·奧利維蒂教授和拉斐爾·戈麥斯-邦巴雷利教授在本周在《自然材料》雜志上報道了這一新發(fā)現(xiàn),并解釋了為什么某些類型的沸石可以轉(zhuǎn)化為其他特定類型的原因的先前嘗試未能提出與觀察到的數(shù)據(jù)相匹配的理論?，F(xiàn)在，麻省理工學院的研究小組已經(jīng)開發(fā)出一種數(shù)學方法來描述不同的分子結(jié)構(gòu)。該方法基于圖論，該圖論可以預測哪些對沸石類型可以從一種轉(zhuǎn)化為另一種。由于它可以預測以前未曾觀察到的某些轉(zhuǎn)變，因此也可能導致新的生產(chǎn)途徑。并且，它暗示了產(chǎn)生以前從未見過的沸石的可能性，因為某些預測的配對將導致轉(zhuǎn)變成新型的沸石結(jié)構(gòu)。

如今，沸石廣泛用于各種應用中，例如催化煉油廠中的石油“裂解”并吸收貓砂箱填料中的氣味。如果研究人員可以制造新型的沸石，例如具有適合特定類型的過濾孔徑的沸石，則可能會有更多的應用。各種沸石都是硅酸鹽礦物，化學成分與石英相似。實際上，在地質(zhì)時間尺度上，它們最終都將轉(zhuǎn)變?yōu)槭?一種密度更高的礦物-豐田公司材料加工副教授戈麥斯-邦巴拉利解釋說。但與此同時，它們處于“可變換”形式，有時可以通過施加熱量或施加壓力或同時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)化中的一些是眾所周知的，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。

研究人員發(fā)現(xiàn)，對不同沸石化合物的結(jié)構(gòu)進行傳統(tǒng)的化學建模，并沒有找到找到易于從一種轉(zhuǎn)化為另一種的成對沸石的真正線索。在結(jié)構(gòu)上看起來相似的化合物有時不會進行此類轉(zhuǎn)化，而其他非常相似的化合物對很容易互換。為了指導他們的研究，該團隊使用了由Olivetti小組先前開發(fā)的人工智能系統(tǒng)來“閱讀”超過70,000篇有關(guān)沸石的研究論文，并選擇專門鑒定沸石間轉(zhuǎn)化的論文。他們發(fā)現(xiàn)，基于圖論而不是傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)建模的拓撲描述清楚地標識了相關(guān)的配對。這些基于圖的描述，基于固體中化學鍵的數(shù)量和位置而不是其實際物理排列，表明所有已知的配對都具有幾乎相同的圖。在未進行轉(zhuǎn)換的對之間未找到此類相同的圖。這些類型的交織就像手指在兩只緊握的手上。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)催化步驟。

根據(jù)圖模型，一些沸石“在相同的圖中沒有假設(shè)的伙伴，因此嘗試對其進行轉(zhuǎn)化沒有任何意義，但有些沸石具有數(shù)千個伙伴”，因此進一步研究的時機已經(jīng)成熟，Gomez-Bombarelli說。原則上，這些新發(fā)現(xiàn)可能會導致開發(fā)出各種新型催化劑，并根據(jù)它們要促進的確切化學反應進行調(diào)整。Gomez-Bombarelli說，假設(shè)幾乎所有需要的反應都可以找到合適的沸石材料來促進它。美國化學副教授杰弗里·里默（Jeffrey Rimer）說：“這項工作是對沸石間轉(zhuǎn)變的理解的一項重大進步，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)濟性，它已成為越來越重要的話題”。西班牙瓦倫西亞技術(shù)大學的終身科學家曼努埃爾·莫利納說：“了解特定的沸石間轉(zhuǎn)化涉及的分子對，不僅要考慮已知的沸石，還要考慮數(shù)百種假想的沸石。從來沒有被合成過，它為合理化和指導目標沸石的合成提供了特殊的實踐機會，并有可能成為工業(yè)催化劑?！边@項研究，目前得到了美國國家科學基金會和海軍研究辦公室的支持。