p Os zeólitos são uma classe de minerais naturais ou manufaturados com uma estrutura semelhante a uma esponja, crivados de minúsculos poros que os tornam úteis como catalisadores ou filtros ultrafinos. Mas, dos milhões de composições de zeólita que são teoricamente possíveis, até agora, apenas cerca de 248 foram descobertos ou fabricados. Agora, a pesquisa do MIT ajuda a explicar por que apenas este pequeno subconjunto foi encontrado, e pode ajudar os cientistas a encontrar ou produzir mais zeólitas com as propriedades desejadas. p As novas descobertas estão sendo relatadas esta semana no jornal Materiais da Natureza , em um artigo dos alunos de pós-graduação do MIT Daniel Schwalbe-Koda e Zach Jensen, e os professores Elsa Olivetti e Rafael Gomez-Bombarelli.

p Tentativas anteriores de descobrir por que apenas este pequeno grupo de possíveis composições de zeólita foi identificado, e para explicar por que certos tipos de zeólitas podem ser transformados em outros tipos específicos, não conseguiram apresentar uma teoria que corresponda aos dados observados. Agora, a equipe do MIT desenvolveu uma abordagem matemática para descrever as diferentes estruturas moleculares. A abordagem é baseada na teoria dos grafos, que pode prever quais pares de tipos de zeólitos podem ser transformados de um para o outro.

p Este pode ser um passo importante para encontrar maneiras de fazer zeólitas sob medida para fins específicos. Também pode levar a novos caminhos para a produção, uma vez que prevê certas transformações que não foram observadas anteriormente. E, sugere a possibilidade de produzir zeólitas nunca antes vistas, uma vez que alguns dos pares previstos levariam a transformações em novos tipos de estruturas zeólitas.

p Transformações interzeólitas

p Os zeólitos são amplamente usados ​​hoje em aplicações tão variadas quanto catalisar o "craqueamento" do petróleo em refinarias e absorver odores como componentes em enchedor de caixa de areia para gatos. Ainda mais aplicações podem se tornar possíveis se os pesquisadores puderem criar novos tipos de zeólitas, por exemplo, com tamanhos de poros adequados para tipos específicos de filtração.

p Todos os tipos de zeólitas são minerais de silicato, semelhante em composição química ao quartzo. Na verdade, em escalas de tempo geológicas, todos eles acabarão por se transformar em quartzo - uma forma muito mais densa do mineral - explica Gomez-Bombarelli, quem é o Professor Assistente Toyota em Processamento de Materiais. Mas enquanto isso, eles estão em uma forma "metaestável", que às vezes pode ser transformado em uma forma metaestável diferente pela aplicação de calor ou pressão, ou ambos. Algumas dessas transformações são bem conhecidas e já usadas para produzir variedades de zeólita desejadas a partir de formas naturais mais facilmente disponíveis.

p Atualmente, muitos zeólitos são produzidos usando compostos químicos conhecidos como OSDAs (agentes direcionadores de estrutura orgânica), que fornecem uma espécie de modelo para sua cristalização. Mas Gomez-Bombarelli diz que se ao invés eles puderem ser produzidos através da transformação de outro, forma prontamente disponível de zeólito, "isso é realmente empolgante. Se não precisarmos usar OSDAs, aí fica muito mais barato [produzir o material]. O material orgânico é caro. Qualquer coisa que possamos fazer para evitar os orgânicos nos aproxima da produção em escala industrial. "

p Modelagem química tradicional da estrutura de diferentes compostos de zeólita, pesquisadores descobriram, não fornece nenhuma pista real para encontrar os pares de zeólitas que podem se transformar facilmente de um para o outro. Os compostos que parecem estruturalmente semelhantes às vezes não estão sujeitos a tais transformações, e outros pares bastante diferentes acabam se trocando facilmente. Para orientar suas pesquisas, a equipe usou um sistema de inteligência artificial desenvolvido anteriormente pelo grupo Olivetti para "ler" mais de 70, 000 trabalhos de pesquisa sobre zeólitos e selecione aqueles que identificam especificamente as transformações interzeólitas. Eles então estudaram esses pares em detalhes para tentar identificar características comuns.

p O que eles descobriram foi que uma descrição topológica baseada na teoria dos grafos, em vez de modelagem estrutural tradicional, identificou claramente os pares relevantes. Essas descrições baseadas em gráficos, com base no número e na localização das ligações químicas nos sólidos, em vez de seu arranjo físico real, mostrou que todos os pares conhecidos tinham gráficos quase idênticos. Nenhum gráfico idêntico foi encontrado entre pares que não foram sujeitos a transformação.

p A descoberta revelou alguns pares previamente desconhecidos, alguns dos quais acabaram por coincidir com as observações laboratoriais preliminares que não tinham sido previamente identificadas como tal, ajudando assim a validar o novo modelo. O sistema também foi bem-sucedido em prever quais formas de zeólitas podem se intercalar - formando combinações de dois tipos que são intercalados como os dedos de duas mãos entrelaçadas. Essas combinações também são comercialmente úteis, por exemplo, para etapas de catálise sequencial usando diferentes materiais de zeólito.

p Maduro para pesquisas futuras

p As novas descobertas também podem ajudar a explicar por que muitas das formações zeólitas teoricamente possíveis não parecem realmente existir. Uma vez que algumas formas se transformam prontamente em outras, pode ser que alguns deles se transformem tão rapidamente que nunca sejam observados por si próprios. A triagem usando a abordagem baseada em gráficos pode revelar alguns desses pares desconhecidos e mostrar por que essas formas de vida curta não são vistas.

p Alguns zeólitos, de acordo com o modelo gráfico, "não tem parceiros hipotéticos com o mesmo gráfico, então não faz sentido tentar transformá-los, mas alguns têm milhares de parceiros "e, portanto, estão maduros para pesquisas futuras, Gomez-Bombarelli diz.

p Em princípio, as novas descobertas podem levar ao desenvolvimento de uma variedade de novos catalisadores, sintonizado com as reações químicas exatas que pretendem promover. Gomez-Bombarelli diz que quase qualquer reação desejada poderia, hipoteticamente, encontrar um material zeólito apropriado para promovê-la.

p "Os experimentalistas estão muito animados para encontrar uma linguagem para descrever suas transformações que seja preditiva, " ele diz.