Топологическая структура указала на жизнеспособность цеолитов

Ученые из Самарского университета разработали новый метод оценки жизнеспособности цеолитных структур, которые используются в качестве эффективных фильтров или абсорбентов. Для этого исследователи предложили сравнивать их строение с существующими в реальной жизни соединениями, проанализировали с помощью разработанного метода около шестисот тысяч структур и отобрали из них 49 наиболее перспективных. Статья опубликована в Chemistry of Materials, коротко об исследовании говорится в пресс-релизе Российского научного фонда, который поддерживал проект.

Минералы из группы цеолитов — это своего рода природные губки с микроскопическими порами, размеры которых сравнимы с размерами отдельных небольших молекул. Из-за этого цеолиты очень хорошо работают в качестве фильтров: в самом деле, размер микроскопических пор можно подобрать таким образом, чтобы молекулы воды или другой интересующей жидкости свободно проходили сквозь материал, а более крупные молекулы примесей застревали и задерживались. С другой стороны, цеолиты также можно использовать в качестве эффективного абсорбента, заставляя их удерживать молекулы внутри кристаллических ячеек. Благодаря своим особым свойствам цеолиты широко применяются в промышленности и быту — например, их можно найти в водном фильтре или в наполнителе кошачьего туалета. Многие научные центры занимаются исключительно разработкой новых цеолитоподобных материалов.

Кристаллическая структура цеолитов образована тетраэдрическими группами, которые возникают вокруг атомов кремния, алюминия или других элементов и связываются общими вершинами в трехмерный каркас. Такие элементарные ячейки напоминают атомы углерода, и, подобно углероду, топологическая структура цеолитов отличается большим разнообразием. На данный момент ученым известно более миллиона энергетически устойчивых цеолитных структур — то есть таких структур, энергия которых увеличивается при отклонении атомов от положения равновесия. Тем не менее, большинство из этих структур в реальности не существуют — из всего многообразия цеолитов в природе встречается всего 40 минералов, а еще около двухсот было синтезировано в лаборатории. Чтобы объяснить такое расхождение, ученые разработали множество различных критериев, которые предсказывают, насколько успешно можно синтезировать заданную цеолитную структуру, однако большинство из них оказались бесполезными. Интересно, что все такие критерии рассматривали только термодинамическую стабильность структур (то есть отталкивались от их энергии).

Недавно группа исследователей под руководством Владислава Блатова предложила новый способ определять жизнеспособность кристаллической структуры, полагающийся не только на ее устойчивость, но и на «удобство сборки». Другими словами, написанная учеными программа моделирует поликонденсацию цеолита из «строительных единиц», или плиток (tiles), — наборов атомов, которые не содержат общих тетраэдральных атомов, но из которых можно полностью построить конечную кристаллическую структуру. Центры таких плиток образуют так называемую осно́вную сеть (underlying net), форма которой отражает способ их соединения. Ученые предположили, что наиболее предпочтительными для синтеза будут такие структуры, топология которых сильнее всего напоминает топологию реально существующих цеолитов, и выбрали это условие в качестве основного критерия для оценки «жизнеспособности» соединения. Грубо говоря, такие структуры быстрее и проще всего собираются из «строительных единиц», а потому с большей вероятностью возникают в качестве конечных продуктов синтеза.

В новой статье та же группа ученых применила этот метод, чтобы оценить «жизнеспособность» найденных ранее кристаллических структур. Для этого они проанализировали с помощью своей программы две базы данных, в каждой из которых содержалось около трехсот тысяч примеров цеолитных структур. Сходство с уже синтезированными цеолитами ученые оценивали с помощью шести характерных параметров: числа тетраэдральных атомов на ячейку (которое должно быть меньше 25), формы локального окружения ячейки, формы ее конфигурационной картины, числа связей ячейки с соседями, числа соседей и топологической структуры осно́вной сети. Конфигурационную картину ячейки можно получить, соединив центры ее соседей. Авторы замечают, что точно сказать, как эти характеристики сказываются на «удобстве сборки» структуры, очень сложно, однако сходство с уже синтезированными структурами служит хорошим аргументом в пользу их «жизнеспособности».

В результате из шестисот тысяч рассмотренных структур исследователи отобрали 49 наиболее перспективных и указали, какие именно компоненты нужно включить в состав реакции, чтобы их получить. Таким образом, предложенный метод позволяет очень эффективно отбраковать кандидатов для последующей экспериментальной проверки и сжать огромные базы гипотетических структур. Кроме того, авторы утверждают, что с помощью этого способа также можно искать новые структуры, которые изначально будут хорошо подходить для синтеза. 

В ноябре прошлого года химики из Испании и США синтезировали цеолитный материал, который хорошо пропускает молекулы этилена, но задерживает молекулы этана — это позволяет эффективно очищать этилен от ненужных органических примесей. Также мы писали о том, как цеолиты помогают очистить воду от хлористых примесей или отфильтровать из крови человека продукты метаболизма.

Дмитрий Трунин