トポロジー構造はゼオライトの生存率を示した

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ビデオ: 「ゼオライトの製造方法及びAFY型メタロアルミノホスフェートゼオライト」 東京農工大学 大学院工学研究院 応用化学部門 准教授  前田和之 2022, 12月
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サマラ大学の科学者は、効果的なフィルターまたは吸収剤として使用されるゼオライト構造の実行可能性を評価するための新しい方法を開発しました。これを行うために、研究者は、それらの構造を実生活に存在する化合物と比較することを提案し、開発された方法を使用して約60万の構造を分析し、それらのうち最も有望な49を選択しました。記事はChemistryof Materialsに掲載され、研究はプロジェクトを支援したロシア科学財団からのプレスリリースで簡単に説明されています。

ゼオライトグループの鉱物は、微細な細孔を持つ一種の天然スポンジであり、そのサイズは個々の小分子のサイズに匹敵します。このため、ゼオライトはフィルターとして非常にうまく機能します。実際、微細な細孔のサイズを調整して、水やその他の目的の液体の分子が材料を自由に通過できるようにし、不純物のより大きな分子を閉じ込めて閉じ込めることができます。一方、ゼオライトは、結晶セル内に分子を保持するように強制することにより、効果的な吸収剤として使用することもできます。ゼオライトはその特殊な特性により、産業や日常生活で広く使用されています。たとえば、水フィルターや猫のトイレに含まれています。多くの科学センターは、新しいゼオライトのような材料の開発に専念しています。

ゼオライトの結晶構造は、シリコン、アルミニウム、またはその他の元素の原子の周りに発生する四面体グループによって形成され、共通の頂点によって3次元フレームワークにリンクされます。これらのユニットセルは炭素原子に似ており、炭素と同様に、ゼオライトのトポロジー構造は非常に多様です。現在、科学者は、100万を超えるエネルギー的に安定したゼオライト構造、つまり、原子が平衡位置から外れるとエネルギーが増加する構造を知っています。それにもかかわらず、これらの構造のほとんどは実際には存在しません-ゼオライトの全種類のうち、40の鉱物だけが自然界に見られ、約200が実験室で合成されました。この不一致を説明するために、科学者は、特定のゼオライト構造をどれだけうまく合成できるかを予測する多くの異なる基準を開発しましたが、それらのほとんどは役に立たないことが証明されました。このようなすべての基準が構造の熱力学的安定性のみを考慮していることは興味深いことです(つまり、それらはエネルギーに基づいていました)。

最近、Vladislav Blatovが率いる研究者グループは、結晶構造の安定性だけでなく「組み立ての容易さ」にも依存して、結晶構造の実行可能性を判断する新しい方法を提案しました。言い換えれば、科学者によって書かれたプログラムは、「ビルディングユニット」またはタイル(一般的な四面体原子を含まないが、最終的な結晶構造を完全に構築できる原子のセット)からのゼオライトの重縮合をシミュレートします。そのようなタイルの中心は、いわゆる下にあるネットを形成し、その形状はそれらが接続されている方法を反映しています。科学者たちは、合成に最も好ましいのは、そのトポロジーが実際のゼオライトのトポロジーに最もよく似ている構造であると示唆し、化合物の「生存率」を評価するための主要な基準としてこの条件を選択しました。大まかに言えば、このような構造は「ビルディングユニット」から組み立てるのが最も速くて簡単であるため、合成の最終製品として発生する可能性が高くなります。

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結晶格子からメインネットワークを取得する

新しい記事では、同じ科学者チームがこの方法を適用して、以前に見つかった結晶構造の「実行可能性」を評価しました。これを行うために、彼らはプログラムを使用して2つのデータベースを分析しました。各データベースには、ゼオライト構造の約30万の例が含まれていました。科学者は、6つの特徴的なパラメーターを使用して、すでに合成されたゼオライトとの類似性を評価しました:セルあたりの四面体原子の数(25未満である必要があります)、セルのローカル環境の形状、その構成図の形状、セルの数ネイバーとの接続、ネイバーの数、および基本ネットワークのトポロジ構造。セルの構成画像は、隣接するセルの中心を接続することで取得できます。著者らは、これらの特性が構造の「組み立ての容易さ」にどのように影響するかを正確に言うことは非常に難しいと述べていますが、すでに合成された構造との類似性は、それらの「実行可能性」を支持する良い議論として役立ちます。

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実際には実現できない構造の例:セル内の原子が多すぎる

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実際には実現できない構造の例:細胞の異常な局所環境

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実際には実現できない構造の例:細胞の異常な局所環境。より安定した領域は赤で強調表示されます

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実際には実現できない構造の例:構成図の異常な形式

その結果、研究者らは、60万の考慮された構造から最も有望な49の構造を選択し、それらを得るためにどの成分を反応の組成に含めるべきかを示しました。したがって、提案された方法は、その後の実験的検証のために候補を非常に効率的に拒絶し、仮説構造の巨大な基盤を圧縮することを可能にする。さらに、著者らは、この方法を使用して、最初は合成に適した新しい構造を検索することもできると主張しています。

昨年11月、スペインと米国の化学者は、エチレン分子を十分に通過させながらエタン分子を保持するゼオライト材料を合成しました。これにより、不要な有機不純物からエチレンを効果的に精製することができます。また、ゼオライトが塩化物不純物から水を浄化したり、人間の血液から代謝産物をろ過したりするのにどのように役立つかについても書きました。

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