沸石是一類(lèi)天然或人造的礦物，具有海綿狀結(jié)構(gòu)，上面布滿細(xì)小的孔，使其可用作催化劑或超細(xì)過(guò)濾器。但是在理論上可能的數(shù)百萬(wàn)種沸石組合物中，到目前為止，僅發(fā)現(xiàn)或制造了約248種?，F(xiàn)在，麻省理工學(xué)院的研究有助于解釋為什么只發(fā)現(xiàn)了這一小部分，并可以幫助科學(xué)家發(fā)現(xiàn)或生產(chǎn)更多具有所需性能的沸石。

麻省理工學(xué)院的研究生丹尼爾·史瓦比·科達(dá)和扎克·詹森，以及艾爾莎·奧利維蒂教授和拉斐爾·戈麥斯-邦巴雷利教授在本周在《自然材料》雜志上報(bào)道了這一新發(fā)現(xiàn),并解釋了為什么某些類(lèi)型的沸石可以轉(zhuǎn)化為其他特定類(lèi)型的原因的先前嘗試未能提出與觀察到的數(shù)據(jù)相匹配的理論。現(xiàn)在，麻省理工學(xué)院的研究小組已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種數(shù)學(xué)方法來(lái)描述不同的分子結(jié)構(gòu)。該方法基于圖論，該圖論可以預(yù)測(cè)哪些對(duì)沸石類(lèi)型可以從一種轉(zhuǎn)化為另一種。由于它可以預(yù)測(cè)以前未曾觀察到的某些轉(zhuǎn)變，因此也可能導(dǎo)致新的生產(chǎn)途徑。并且，它暗示了產(chǎn)生以前從未見(jiàn)過(guò)的沸石的可能性，因?yàn)槟承╊A(yù)測(cè)的配對(duì)將導(dǎo)致轉(zhuǎn)變成新型的沸石結(jié)構(gòu)。

如今，沸石廣泛用于各種應(yīng)用中，例如催化煉油廠中的石油“裂解”并吸收貓砂箱填料中的氣味。如果研究人員可以制造新型的沸石，例如具有適合特定類(lèi)型的過(guò)濾孔徑的沸石，則可能會(huì)有更多的應(yīng)用。各種沸石都是硅酸鹽礦物，化學(xué)成分與石英相似。實(shí)際上，在地質(zhì)時(shí)間尺度上，它們最終都將轉(zhuǎn)變?yōu)槭?一種密度更高的礦物-豐田公司材料加工副教授戈麥斯-邦巴拉利解釋說(shuō)。但與此同時(shí)，它們處于“可變換”形式，有時(shí)可以通過(guò)施加熱量或施加壓力或同時(shí)施加熱量和壓力將其轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌膩喎€(wěn)態(tài)形式。這些轉(zhuǎn)化中的一些是眾所周知的，并且已經(jīng)用于從更容易獲得的天然形式生產(chǎn)所需的沸石品種。

研究人員發(fā)現(xiàn)，對(duì)不同沸石化合物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行傳統(tǒng)的化學(xué)建模，并沒(méi)有找到找到易于從一種轉(zhuǎn)化為另一種的成對(duì)沸石的真正線索。在結(jié)構(gòu)上看起來(lái)相似的化合物有時(shí)不會(huì)進(jìn)行此類(lèi)轉(zhuǎn)化，而其他非常相似的化合物對(duì)很容易互換。為了指導(dǎo)他們的研究，該團(tuán)隊(duì)使用了由Olivetti小組先前開(kāi)發(fā)的人工智能系統(tǒng)來(lái)“閱讀”超過(guò)70,000篇有關(guān)沸石的研究論文，并選擇專(zhuān)門(mén)鑒定沸石間轉(zhuǎn)化的論文。他們發(fā)現(xiàn)，基于圖論而不是傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)建模的拓?fù)涿枋銮宄貥?biāo)識(shí)了相關(guān)的配對(duì)。這些基于圖的描述，基于固體中化學(xué)鍵的數(shù)量和位置而不是其實(shí)際物理排列，表明所有已知的配對(duì)都具有幾乎相同的圖。在未進(jìn)行轉(zhuǎn)換的對(duì)之間未找到此類(lèi)相同的圖。這些類(lèi)型的交織就像手指在兩只緊握的手上。這樣的組合在商業(yè)上也是有用的，例如用于使用不同沸石材料的連續(xù)催化步驟。

根據(jù)圖模型，一些沸石“在相同的圖中沒(méi)有假設(shè)的伙伴，因此嘗試對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)化沒(méi)有任何意義，但有些沸石具有數(shù)千個(gè)伙伴”，因此進(jìn)一步研究的時(shí)機(jī)已經(jīng)成熟，Gomez-Bombarelli說(shuō)。原則上，這些新發(fā)現(xiàn)可能會(huì)導(dǎo)致開(kāi)發(fā)出各種新型催化劑，并根據(jù)它們要促進(jìn)的確切化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行調(diào)整。Gomez-Bombarelli說(shuō)，假設(shè)幾乎所有需要的反應(yīng)都可以找到合適的沸石材料來(lái)促進(jìn)它。美國(guó)化學(xué)副教授杰弗里·里默（Jeffrey Rimer）說(shuō)：“這項(xiàng)工作是對(duì)沸石間轉(zhuǎn)變的理解的一項(xiàng)重大進(jìn)步，由于使用這些工藝可以提高商業(yè)沸石生產(chǎn)的效率和經(jīng)濟(jì)性，它已成為越來(lái)越重要的話題”。西班牙瓦倫西亞技術(shù)大學(xué)的終身科學(xué)家曼努埃爾·莫利納說(shuō)：“了解特定的沸石間轉(zhuǎn)化涉及的分子對(duì)，不僅要考慮已知的沸石，還要考慮數(shù)百種假想的沸石。從來(lái)沒(méi)有被合成過(guò)，它為合理化和指導(dǎo)目標(biāo)沸石的合成提供了特殊的實(shí)踐機(jī)會(huì)，并有可能成為工業(yè)催化劑?！边@項(xiàng)研究，目前得到了美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)和海軍研究辦公室的支持。