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La solución de Tetris al enigma de la zeolita sintética

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La solución de Tetris al enigma de la zeolita sintética

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Se puede usar un nuevo modelo de simulación para ensamblar zeolitas a partir de bloques de construcción simples para predecir la estructura y la viabilidad de los marcos de zeolitas existentes. El modelo puede explicar por qué solo existe una fracción de los millones de zeolitas hipotéticas y podría ayudar a predecir nuevos marcos para síntesis futuras.

Zeolitas son ampliamente utilizados como catalizadores y tamices moleculares gracias a su estructura microporosa regular. La mayoría de las zeolitas están formadas por átomos 'T' coordinados tetraédricamente, generalmente silicio o aluminio, unidos por átomos de oxígeno. Es la forma en que todos los TO2 se ensamblan en un marco lo que le da a cada zeolita sus propiedades específicas. El número de marcos diferentes modelados alcanza los millones. La gran pregunta es por qué hasta ahora solo se han sintetizado alrededor de 200 de estas zeolitas, y existen aún menos en naturaleza.

Vladislav Blatov, de la Universidad Estatal de Samara, Rusia, y sus colegas han propuesto un nuevo modelo de ensamblaje armazones tipo zeolita para abordar este enigma. De las 2000 zeolitas hipotéticas que han probado hasta ahora, su nuevo modelo predice correctamente 189 de las zeolitas sintéticamente viables. «En esencia, nuestro enfoque puede restringir la búsqueda de nuevas zeolitas entre millones de hipotéticas y, al sugerir posibles marcos, puede inspirar nuevas síntesis», explica.

La clave de su simulación fue dividir el marco en sus bloques de construcción más pequeños posibles, unidades de construcción naturales (NBU), y luego descubrir cómo se ensamblaron bajo reglas estrictas. «Utilizamos un algoritmo novedoso para subdividir la estructura de zeolita en unidades poliédricas, este es el llamado método de mosaico natural», continúa.

cinéticamente inestable

Si bien la subdivisión de la estructura de zeolita en unidades de construcción poliédricas tiene una larga historia, sus NBU son únicos porque corresponden a cavidades y jaulas reales. Luego, todos sus marcos se ensamblaron pegando una o más caras de NBU a través de una reacción de policondensación. De esta manera, se formaron puentes T–O–T sin átomos T comunes entre las unidades. Descubrieron que la mayoría de las zeolitas conocidas se pueden dividir de acuerdo con esta condición. Si no, entonces la estructura es intrínsecamente inviable. «Estos criterios no son termodinámicos (todas las zeolitas hipotéticas son energéticamente estables) sino cinéticos», añade Blatov. 'Muchas estructuras de zeolita hipotéticas no se producen no porque sean inestables, sino porque no se pueden ensamblar a partir de unidades de empaque.'

El equipo ahora planea estudiar todas las zeolitas hipotéticas conocidas y clasificarlas según la probabilidad de su existencia. Stefan Bromley, de ICREA, España, dice que esta sería una verdadera prueba del modelo para abordar el enigma de la zeolita, especialmente dado que la proporción de marcos viables ya es muy alta a partir de su pequeño conjunto inicial de zeolitas hipotéticas. «Con una búsqueda más dirigida de los millones de estructuras hipotéticas registradas, el número de zeolitas hipotéticas viables seguirá superando enormemente a las conocidas actualmente», afirma. Bromley agrega que el trabajo puede abrir la puerta a una variedad de nuevas investigaciones en la predicción de estructuras y podría extenderse a otros cationes más complejos e incluso marcos que no son de silicato.

Pero Mike Treacy, de la Universidad Estatal de Arizona, EE. UU., cree que todavía faltan piezas en el rompecabezas y que se debe considerar la flexibilidad de la estructura final para crear una imagen más completa. 'La correlación entre las NBU y la factibilidad es indudablemente real, pero no es perfecta', dice. "Parece probable que las unidades de construcción naturales que se asemejan a los poliedros sean intrínsecamente flexibles y puedan vincularse entre sí de manera que preserven la flexibilidad general".

De hecho, la compilación de todas las piezas de información independientes para completar el mosaico del fenómeno del crecimiento de los cristales es algo que Blatov está dispuesto a emprender. Blatov añade que este método topológico de análisis de marcos de zeolita podría proporcionar un "puente entre los resultados experimentales y los modelos teóricos".

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