Российские ученые построили математическую модель, которая может предсказать, как именно можно получить новые искусственные минералы — цеолиты. Их отличает уникальная способность «прицельно» пропускать только вполне определенные вещества, отсекая все остальные. Поэтому они широко используются в быту и в промышленности в качестве фильтров, а в нефтехимии — и в виде ускорителей реакций. Соответствующая статья опубликована в журнале Chemistry of Materials.
Цеолиты — это минералы, сложенные из тетраэдров с общими формулами SiO2/4 и AlO2/4. Между компонентами такой «тетраэдрической» структуры остается совсем мало свободного пространства — как раз достаточно, чтобы пропускать небольшие молекулы или ионы, но недостаточно, чтобы пропустить что-то большее. Поэтому их еще часто называют «молекулярное сито». Цеолиты способны впитывать и вновь отдавать воду и другие вещества, но при этом они «не берут» целый ряд молекул-загрязнителей. С XVIII века ученые обнаружили около 40 естественных цеолитов и нашли им применение, например в виде бытовых и промышленных фильтров для очистки воды.
Однако каждый цеолит имеет слегка отличающиеся фильтрующие свойства, поэтому исследователи заинтересованы в искусственном создании новых его видов, не встречающихся в природе, — сегодня их существует уже больше 200. При этом материалы и методы для их создания всегда подбирались фактически наугад. Из-за этого даже большими усилиями лабораторий разных стран их удается создать не более 5—7 в год.
Авторы новой работы построили модель, которая прогнозирует состав и строение новых, еще не созданных цеолитов. Ранее исследователи предложили новый математический метод представления структур пористых веществ и разработали компьютерный алгоритм, который может моделировать сборку каркаса цеолита по принципу конструктора LEGO — подставляя те или иные «кубики» (в виде тетраэдров) в пространственную структуру и оценивая, насколько устойчива такая «конструкция».
Новым же результатом стало использование данной разработки для прогнозирования возможности и условий синтеза цеолитов. При этом исследователи проанализировали более 300 тысяч так называемых гипотетических цеолитов: их структура ранее считалась теоретически возможной, но они так и не были получены в лаборатории, поскольку было не вполне ясно, как именно это делать.
Подавляющее большинство подобных цеолитов, согласно модели, нежизнеспособно: их нельзя быстро и легко собрать из подходящих «кубиков», а значит, их синтез либо на грани возможного (отчего сложен и дорог), либо невозможен, по крайней мере с помощью известных на сегодня методов. Зато новый компьютерный алгоритм отобрал 49 наиболее перспективных для синтеза цеолитов и указал, какие именно компоненты нужно включить в состав реакции, чтобы их получить. В модели, предложенной учеными, впервые учитывается не только энергетическая стабильность материала, 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.
Новая теоретическая разработка может привести к существенному ускорению и удешевлению синтеза новых пористых материалов. Исследователи уже начали сотрудничество с коллегами-экспериментаторами, которые будут пытаться создать искусственный цеолит на основе нового 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 и впоследствии найти среди них новые «практические».
