Цивилизация
Российские ученые построили теоретическую модель, которая может предсказывать создание новых искусственных минералов – цеолитов. Этот особый класс веществ используют в быту и в промышленности в качестве фильтров, а также в нефтехимии в качестве ускорителей реакций. Результаты исследования опубликованы в журнале Chemistry of Materials. Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда (РНФ).
Минералы группы цеолитов – это своего рода природные губки с микроскопическими порами, размеры которых сравнимы с размерами небольших молекул, поэтому их еще часто называют «молекулярное сито». Цеолиты способны впитывать и вновь отдавать воду и другие вещества. Необычные свойства этих минералов стали известны еще в XVIII веке, с тех пор ученые обнаружили около 40 представителей группы цеолитов и нашли им применение в быту и промышленности. Например, цеолиты содержатся в бытовых фильтрах для очистки воды. Новые приложения и технологии требуют создания новых таких минералов: сегодня существует уже больше 200 искусственных видов. Авторы исследования построили теоретическую модель, которая прогнозирует состав и строение новых, еще не созданных цеолитов. Ранее материалы и методы для их создания подбирались фактически наугад.
«На получение новых цеолитов, обладающих заданными полезными свойствами, затрачиваются огромные усилия лабораторий по всему миру. Многие научные центры занимаются исключительно разработкой новых цеолитоподобных материалов. Однако цеолиты – очень сложный для синтеза класс веществ. До сих пор не существует теоретических методов, которые могли бы с высокой точностью прогнозировать условия синтеза и необходимые материалы. Поэтому в год во всем мире синтезируют не более 5–7 новых цеолитов», — рассказал один из авторов исследования, Владислав Блатов, директор Межвузовского научно-исследовательского центра по теоретическому материаловедению (МНИЦТМ) при Самарском национальном исследовательском университете имени академика С.П. Королева.
Ранее исследователи предложили новый математический метод представления структур пористых веществ и разработали компьютерный алгоритм, который может моделировать сборку каркаса цеолита по принципу конструктора LEGO. В новом исследовании авторы использовали свои разработки для прогнозирования возможности и условий синтеза цеолитов. Исследователи проанализировали огромное количество (более 300 тысяч) так называемых гипотетических цеолитов: их структура считалась возможной, но они так и не были получены учеными.
«Мы показали, что подавляющее число этих «кандидатов» нежизнеспособно: их нельзя быстро и легко собрать из подходящих строительных единиц. А природа любит простоту», — добавил ученый.
С помощью созданного компьютерного алгоритма авторы отобрали 49 наиболее перспективных для синтеза цеолитов и указали, какие именно компоненты нужно включить в состав реакции, чтобы их получить. В модели, предложенной учеными, впервые учитывается не только энергетическая стабильность вещества, но и удобство сборки его кристаллической структуры из «строительных единиц» (в качестве таких «кирпичиков» могут выступать различные сложные соединения кремния, алюминия, фосфора и других элементов).
Авторы надеются, что их теоретическая разработка приведет к существенному ускорению и удешевлению синтеза новых пористых материалов. В дальнейшем ученые планируют продолжать развитие исследования как в теоретическом, так и в практическом направлениях. Исследователи уже начали сотрудничество с коллегами-экспериментаторами, которые будут пытаться создать искусственный цеолит на основе теоретического прогноза. Также в планах ученых – создание компьютерной программы, которая будет выдавать все возможные варианты сборки новых цеолитов из заданных строительных единиц. Это позволит расширить список «гипотетических» цеолитов.
