Les ingénieurs chimistes de l'Université de l'Illinois Urbana-Champaign comprennent maintenant comment les molécules d'eau s'assemblent et changent de forme dans certains contextes, révélant une nouvelle stratégie pour accélérer les réactions chimiques essentielles à l'industrie et à la durabilité environnementale. La nouvelle approche est sur le point de jouer un rôle en aidant les fabricants de produits chimiques à délaisser les catalyseurs de solvants nocifs au profit de l'eau.

Leur méthode profite des trous, tunnels et passages à l'intérieur de cristaux microporeux à l'échelle nanométrique appelés zéolites. Les espaces poreux dans certaines zéolites sont si étroits que lorsqu'ils sont saturés d'eau, ils ne peuvent s'adapter qu'à des chaînes d'une seule molécule à l'intérieur de leurs limites. Ces chaînes de molécules d'eau à file unique ont des propriétés thermochimiques différentes de celles de l'eau ordinaire ou "en vrac", les chercheurs ont dit, qui a des conséquences dans de nombreuses disciplines scientifiques.

L'étude, dirigé par le professeur de génie chimique et biomoléculaire David Flaherty, est publié dans la revue Catalyse naturelle .

Zéolithes, qui peuvent se comporter comme de minuscules éponges, des filtres ou encore des catalyseurs, ont été utilisés pendant des années dans des matériaux qui absorbent les déversements environnementaux et purifient l'eau et d'autres produits chimiques. Les chercheurs comprennent que les interactions avec l'eau à l'intérieur des pores de la zéolite affectent grandement leur stabilité en tant que catalyseurs, mais on ne sait pas comment ni pourquoi cela se produit.

Dans le laboratoire, l'équipe a utilisé des méthodes spectroscopiques pour mesurer les différences systématiques entre la forme et la disposition des molécules d'eau dans la phase en vrac et les molécules d'eau confinées dans une série de zéolites avec des diamètres de pores de plus en plus petits, dont 1.3, 0,7, 0,5 et 0,3 nanomètres-5, 000 à 10, 000 fois plus petit que l'épaisseur d'un cheveu humain.

"Nous avons constaté des taux de réactions chimiques plus élevés à proximité de petits amas de molécules d'eau confinés dans les pores de la zéolite que dans ceux sans eau ou dans de l'eau en vrac, " a déclaré Flaherty. " Corrélations entre les changements d'entropie dans l'eau causés par la réaction, les vitesses de réaction et la taille des pores de la zéolite suggèrent que les changements dans la structure des amas et des chaînes d'eau sont responsables de l'amélioration des vitesses catalytiques."

"Lorsque les structures d'eau en forme de chaîne ont dû se réorganiser pour accueillir les molécules en réaction, elle a conduit à des augmentations inattendues et spectaculaires des taux, " a déclaré l'auteur principal et ancien étudiant diplômé de l'Illinois Daniel Bregante. " Ces découvertes sont une pièce importante du puzzle pour comprendre pourquoi certaines combinaisons de catalyseurs, les solvants et les réactifs ont conduit à des taux plus élevés que les autres."

D'un point de vue technologique, les chercheurs disent qu'ils savent maintenant comment concevoir de meilleures zéolites synthétiques et les régler pour influencer les réactions de nombreux types.

"Ce principe est également pertinent pour les matériaux au-delà des zéolites et d'autres procédés chimiques, " a déclaré Flaherty. " L'électrocatalyse et d'autres technologies de sorption et de séparation utilisent des matériaux microporeux pour les conversions ou les purifications d'hydrocarbures ou de produits dérivés de la biomasse, par exemple." Le travail de l'équipe peut changer la façon dont d'autres conçoivent et synthétisent des matériaux pour ces applications.

le professeur de l'Illinois Diwakar Shukla; étudiants diplômés Matthew Chan, Jun Zhi Tan et Zeynep Ayla; et Christophe Nicolas, de Honeywell, Des Plaines, Je vais., participé à cette étude.