Come svelare lo sviluppo strutturale delle zeoliti gioverà alle future progettazioni sintetiche

Ricercatori che sfruttano il lavoro effettuato dal progetto GROWMOF (Modelling of MOF self-assembly, crystal growth and thin film formation), finanziato dall’UE, sono riusciti a utilizzare con successo delle simulazioni molecolari per comprendere meglio la struttura delle zeoliti, dei minerali alluminosilicati.

Queste intuizioni saranno preziose per i tentativi che vengono effettuati di progettare “ipotetiche” versioni sintetiche, destinate a offrire una gamma più ampia di applicazioni della scienza dei materiali per questi eccellenti catalizzatori, andando così a colmare una lacuna nel mercato.

La “finestra di flessibilità”

Una zeolite è un tipo speciale di roccia che è in grado di intrappolare acqua al suo interno ed è associata con 200 minerali. La zeolite, un alluminosilicato, ha finora fornito alla chimica degli utili catalizzatori, rendendo possibile un’ampia gamma di prodotti, dai processori chimici industriali alle lettiere per gatti.

L’intelaiatura strutturale tetraedrica delle zeoliti crea la forma, area superficiale e attività chimica perfette per catalizzatori efficaci, ma la loro adozione industriale è ostacolata dalla scarsa varietà di strutture disponibili. Molte ricerche sono state dedicate alla generazione di milioni di nuove ipotetiche versioni da sintetizzare, ma i successi ottenuti finora sono stati limitati.

Il team, scrivendo su “Royal Society Publishing”, ha esplorato la cosiddetta “finestra di flessibilità”, per mezzo della quale l’intelaiatura strutturale della zeolite permette agli scienziati un minimo di manipolazione atomica, pur mantenendo intatta la struttura complessiva. Una precedente ricerca aveva indicato che questo fenomeno è presente in quasi tutte le zeoliti conosciute che si trovano in natura, con la sola eccezione della goosecreekite. Allo stesso tempo, esso non è comune nelle strutture ipotetiche create dagli scienziati, a suggerire che la sua esistenza renderebbe quella struttura ipotetica un buon candidato per la sintesi.

A offrire speranza per la localizzazione di candidati più promettenti, i ricercatori hanno adottato delle tecniche di simulazione per dimostrare che l’utilizzo di vincoli meno rigidi nella manipolazione delle parti a “barra” della struttura tetraedrica della zeolite potrebbe aprire la finestra di flessibilità attorno ai siti dell’alluminio. Usando questa tecnica, il team è stato persino in grado di trovare le prove di una finestra di flessibilità nella goosecreekite.

Far progredire la scienza dei materiali

Lo studio va a completare la recente ricerca del team sulla flessibilità e sul contenuto extra struttura nella faujasite. Inoltre, esso sviluppa ulteriormente il loro lavoro al fine di ampliare la metodologia del software di simulazione geometrica per comprendere meglio le strutture metallo-organiche (MOF). Le MOF sono strutture tridimensionali con angoli metallici e molecole organiche leganti, e sono annoverate tra gli sviluppi più entusiasmanti nella scienza dei materiali nanoporosi, visto che offrono una gamma quasi infinita di combinazioni di materiali. Le applicazioni indicate da GROWMOF includono la separazione dei gas e la somministrazione di farmaci.

GROWMOF è stato creato con la consapevolezza che, per far raggiungere alle MOF il loro potenziale, era necessaria una maggiore prevedibilità nella loro sintesi, insieme a una migliore comprensione delle proprietà del materiale risultante, oltre che dell’intero percorso dall’assemblaggio molecolare alla crescita dei cristalli e alla formazione del film sottile.

A questo scopo, questo recente studio dimostra chiaramente che la simulazione geometrica per le intelaiature strutturali può essere estesa al di là delle sue competenze originali, che riguardavano la modellazione dei sistemi al silicio (SiO2). I ricercatori sono convinti che il lavoro potrebbe trasformare sostanzialmente la nostra comprensione di come si formano le MOF in una varietà di scale di lunghezza, aprendo allo stesso tempo nuove strade alla ricerca per la sintesi mirata di MOF.

Per maggiori informazioni, consultare:
Pagina web del progetto su CORDIS