Les zéolites sont une classe de minéraux naturels ou fabriqués avec une structure semblable à une éponge, criblés de minuscules pores qui les rendent utiles comme catalyseurs ou filtres ultrafins. Mais parmi les millions de compositions de zéolithes qui sont théoriquement possibles, jusqu'à présent, seulement 248 environ ont été découverts ou fabriqués. Maintenant, les recherches du MIT aident à expliquer pourquoi seul ce petit sous-ensemble a été trouvé, et pourrait aider les scientifiques à trouver ou à produire plus de zéolites avec les propriétés souhaitées.

Les nouvelles découvertes sont publiées cette semaine dans le journal Matériaux naturels , dans un article des étudiants diplômés du MIT Daniel Schwalbe-Koda et Zach Jensen, et les professeurs Elsa Olivetti et Rafael Gomez-Bombarelli.

Des tentatives antérieures pour comprendre pourquoi seul ce petit groupe de compositions de zéolites possibles a été identifié, et d'expliquer pourquoi certains types de zéolites peuvent être transformés en d'autres types spécifiques, n'ont pas réussi à proposer une théorie qui corresponde aux données observées. Maintenant, l'équipe du MIT a développé une approche mathématique pour décrire les différentes structures moléculaires. L'approche est basée sur la théorie des graphes, qui peut prédire quelles paires de types de zéolithes peuvent être transformées de l'une à l'autre.

Cela pourrait être une étape importante vers la recherche de moyens de fabriquer des zéolites adaptées à des fins spécifiques. Cela pourrait également conduire à de nouvelles voies de production, car il prédit certaines transformations qui n'avaient pas été observées auparavant. Et, il suggère la possibilité de produire des zéolithes jamais vues auparavant, puisque certains des appariements prédits conduiraient à des transformations en de nouveaux types de structures zéolitiques.

Transformations interzéolithiques

Les zéolites sont largement utilisées aujourd'hui dans des applications aussi variées que la catalyse du « craquage » du pétrole dans les raffineries et l'absorption des odeurs en tant que composants de remplissage de litière pour chats. Encore plus d'applications peuvent devenir possibles si les chercheurs peuvent créer de nouveaux types de zéolites, par exemple avec des tailles de pores adaptées à des types de filtration spécifiques.

Toutes sortes de zéolites sont des minéraux silicatés, similaire en composition chimique au quartz. En réalité, sur des échelles de temps géologiques, ils finiront tous par se transformer en quartz - une forme beaucoup plus dense du minéral - explique Gomez-Bombarelli, qui est professeur adjoint Toyota en traitement des matériaux. Mais en attendant, ils sont sous une forme "métastable", qui peut parfois être transformé en une forme métastable différente en appliquant de la chaleur ou de la pression ou les deux. Certaines de ces transformations sont bien connues et déjà utilisées pour produire des variétés de zéolite souhaitées à partir de formes naturelles plus facilement disponibles.

Actuellement, de nombreuses zéolithes sont produites en utilisant des composés chimiques appelés OSDA (organic structure-directing agents), qui fournissent une sorte de gabarit pour leur cristallisation. Mais Gomez-Bombarelli dit que si au contraire ils peuvent être produits par la transformation d'un autre, forme de zéolite facilement disponible, "c'est vraiment excitant. Si nous n'avons pas besoin d'utiliser des OSDA, alors c'est beaucoup moins cher [de produire la matière]. La matière organique est chère. Tout ce que nous pouvons faire pour éviter les produits biologiques nous rapproche de la production à l'échelle industrielle."

Modélisation chimique traditionnelle de la structure de différents composés zéolithiques, les chercheurs ont trouvé, ne fournit aucun indice réel pour trouver les paires de zéolites qui peuvent facilement se transformer de l'une à l'autre. Les composés qui semblent structurellement similaires ne sont parfois pas soumis à de telles transformations, et d'autres paires assez dissemblables s'avèrent facilement interchangeables. Pour guider leurs recherches, l'équipe a utilisé un système d'intelligence artificielle précédemment développé par le groupe Olivetti pour "lire" plus de 70, 000 articles de recherche sur les zéolithes et sélectionner ceux qui identifient spécifiquement les transformations interzéolithiques. Ils ont ensuite étudié ces paires en détail pour tenter d'identifier des caractéristiques communes.

Ce qu'ils ont trouvé, c'est qu'une description topologique basée sur la théorie des graphes, plutôt que la modélisation structurelle traditionnelle, clairement identifié les appariements pertinents. Ces descriptions basées sur des graphiques, basé sur le nombre et l'emplacement des liaisons chimiques dans les solides plutôt que sur leur disposition physique réelle, ont montré que tous les appariements connus avaient des graphiques presque identiques. Aucun de ces graphiques identiques n'a été trouvé parmi les paires qui n'étaient pas sujettes à transformation.

La découverte a révélé quelques appariements auparavant inconnus, dont certaines se sont avérées correspondre à des observations préliminaires de laboratoire qui n'avaient pas été identifiées comme telles auparavant, aidant ainsi à valider le nouveau modèle. Le système a également réussi à prédire quelles formes de zéolites peuvent s'intercaler, formant des combinaisons de deux types qui sont entrelacées comme les doigts de deux mains jointes. De telles combinaisons sont également commercialement utiles, par exemple pour des étapes de catalyse séquentielles utilisant différents matériaux zéolitiques.

Mûr pour de plus amples recherches

Les nouvelles découvertes pourraient également aider à expliquer pourquoi bon nombre des formations de zéolite théoriquement possibles ne semblent pas exister réellement. Étant donné que certaines formes se transforment facilement en d'autres, il se peut que certains d'entre eux se transforment si rapidement qu'ils ne sont jamais observés seuls. Le dépistage à l'aide de l'approche graphique peut révéler certains de ces appariements inconnus et montrer pourquoi ces formes éphémères ne sont pas observées.

Certaines zéolithes, selon le modèle graphique, " n'ont pas de partenaires hypothétiques avec le même graphique, donc ça n'a pas de sens d'essayer de les transformer, mais certains ont des milliers de partenaires" et sont donc mûrs pour de nouvelles recherches, dit Gomez-Bombarelli.

En principe, les nouvelles découvertes pourraient conduire au développement d'une variété de nouveaux catalyseurs, adaptés aux réactions chimiques exactes qu'ils sont censés favoriser. Gomez-Bombarelli dit que presque toutes les réactions souhaitées pourraient hypothétiquement trouver un matériau de zéolite approprié pour la promouvoir.

"Les expérimentateurs sont très enthousiastes à l'idée de trouver un langage pour décrire leurs transformations qui soit prédictif, " il dit.