Les méthodes de calcul permettent de contrôler la compétition de phase entre les charpentes de zéolite. Vue d'artiste de la façon dont une molécule conçue par ordinateur est capable de synthétiser deux structures différentes. Crédit :Schwalbe-Koda et al.
Zéolithes, des groupes de minéraux comprenant des aluminosilicates hydratés, sont connus pour être des matériaux très prometteurs pour un certain nombre d'applications. Par exemple, ils peuvent être utilisés comme catalyseurs, échangeurs de cations et tamis moléculaires.
Alors que de nombreuses études antérieures ont examiné le potentiel de ces matériaux, jusqu'à présent, la gestion de la compétition de phases pendant la synthèse de la zéolite s'est avérée difficile et exigeante en main-d'œuvre. Le terme synthèse de zéolite fait référence aux processus par lesquels les zéolites peuvent être créées ou synthétisées en laboratoire.
Chercheurs du Massachusetts Institute of Technology (MIT), en collaboration avec des chercheurs de l'Université polytechnique de Valence et de l'Université de Stockholm, ont récemment proposé une nouvelle stratégie pour contrôler la sélectivité des phases au cours des processus de synthèse de zéolithes à matrice. Cette stratégie, présenté dans un article publié dans Science , repose sur l'utilisation combinée de simulations atomistiques, exploration de la littérature, interactions homme-machine, techniques de synthèse et de caractérisation des matériaux.
"Notre recherche dans le Learning Matter Lab du MIT se concentre sur les problèmes d'aiguille dans une botte de foin en science des matériaux, " Rafael Gomez-Bombarelli, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, dit Phys.org. "Concevoir une molécule qui modèle sélectivement une zéolite donnée est un problème combinatoire difficile depuis des décennies, avec beaucoup d'essais et d'erreurs en laboratoire. Bien que les simulations atomistiques aient historiquement aidé, les approches traditionnelles manquaient le rôle de la sélectivité car elles se concentraient sur une seule zéolite à la fois."
Les méthodes informatiques permettent la conception de modèles pour les cavités zéolitiques. Crédit :Schwalbe-Koda et al.
Gomez-Bombarelli et ses collègues ont utilisé des simulations à haut débit basées sur la mécanique moléculaire pour quantifier l'affinité de différents modèles moléculaires à la fois pour la zéolite qu'ils essayaient de créer et pour celles qui ne convenaient pas à une application donnée. L'équipe a tiré des informations de plus de 586, 000 simulations de molécules de zéolite alignées sur la littérature existante en matière de conception de matériaux.
« À l'aide de ces simulations, nous avons trouvé des modèles qui sont les plus sélectifs même s'ils ne sont pas les liants les plus solides, " Daniel Schwalbe-Koda, un autre chercheur impliqué dans l'étude, dit Phys.org. "Grâce aux algorithmes rapides que nous avons affinés au cours de l'année précédente et que nous avons comparés à des décennies de données de la littérature, nos simulations étaient des ordres de grandeur plus rapides que les approches traditionnelles et nous ont permis d'atteindre un grand nombre de combinaisons de manière très efficace."
Les résultats des simulations ont conduit à l'identification de plusieurs conceptions possibles de zéolites qui pourraient potentiellement être réalisées à l'avenir. Bien qu'il n'y ait aucune certitude que tous les modèles qu'ils ont identifiés seraient idéaux, l'œuvre de Gomez-Bombarelli, Schwalbe-Koda et leurs collègues pourraient aider à affiner la recherche de conceptions de zéolite prometteuses et à accélérer les processus de synthèse de zéolite.
"La théorie a généralement soutenu des expériences dans la science de la zéolite, mais a rarement ouvert la voie, " Manuel Moliner, l'un des chercheurs qui ont mené l'étude, dit Phys.org. "Avec ces nouvelles connaissances, nos chances de succès lorsque nous avons entrepris de fabriquer de nouveaux matériaux en laboratoire sont beaucoup plus élevées et il existe de nombreux potentiels inexploités dans des molécules qui n'avaient pas retenu l'attention mais qui peuvent débloquer de nouveaux, catalyseurs efficaces et rentables.
La compétition de phase est quantifiée pour plus de 200 zéolithes connues et tous les modèles de la littérature. Les résultats de la simulation permettent aux chercheurs de trouver non seulement de bonnes molécules pour un cadre donné, mais quelles charpentes sont susceptibles de cristalliser lorsqu'une molécule donnée est utilisée dans la synthèse. Crédit :Schwalbe-Koda et al.
Cette étude récente confirme que des outils de calcul et des algorithmes hautement performants pourraient jouer un rôle clé dans l'identification de nouveaux matériaux prometteurs. Néanmoins, les chercheurs croient fermement que l'intuition des humains experts est toujours nécessaire lors de l'analyse des simulations informatiques ou des prédictions d'un algorithme.
"À la fin de la journée, les humains sont les utilisateurs finaux des données, nous devrions donc essayer de le rendre aussi utile que possible pour des applications pratiques, " Schwalbe-Koda a déclaré. "L'une de mes idées préférées de notre étude est que la forme moléculaire est un excellent prédicteur de la sélectivité. Nous avons pu créer un nouveau matériau à mi-chemin entre deux connus, en utilisant un gabarit dont la forme est à mi-chemin entre les molécules traditionnellement utilisées."
La nouvelle stratégie de calcul pour contrôler la synthèse de la zéolite et la composition de la structure présentée par Gómez-Bombarelli, Schwalbe-Koda, Moliner et ses collègues pourraient bientôt aider à la découverte de nouveaux modèles de zéolite prometteurs. Cela pourrait avoir des implications importantes pour plusieurs domaines de recherche, y compris le domaine de l'énergie et les efforts de lutte contre le changement climatique. Les chercheurs ont donc décidé de rendre leurs données accessibles au public via un site Internet interactif en ligne.
« Il existe de nombreuses avenues passionnantes pour la recherche future, " dit Moliner. " Deux qui sont d'un intérêt théorique et pratique me viennent à l'esprit. L'un est de personnaliser la composition et la géométrie de la poche catalytique dans la zéolithe et de s'orienter vers des « enzymes inorganiques ». Un autre est la réalisation de zéolithes totalement nouvelles qui restent pour l'instant purement hypothétiques. En mettant nos données de simulation à la disposition de la communauté, nous espérons que d'autres seront également inspirés pour poursuivre de nouvelles directions créatives."
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