Une nouvelle approche mathématique pour comprendre les zéolithes
Les zéolithes sont une classe de minéraux naturels ou manufacturés à structure spongieuse, criblés de minuscules pores qui les rendent utiles comme catalyseurs ou filtres ultrafins. Mais sur les millions de compositions de zéolithes théoriquement possibles, seules 248 environ ont été découvertes ou réalisées à ce jour. Aujourd’hui, les recherches du MIT aident à expliquer pourquoi seul ce petit sous-ensemble a été trouvé, et pourraient aider les scientifiques à trouver ou à produire plus de zéolithes aux propriétés souhaitées.
Les nouvelles découvertes sont rapportées cette semaine dans le journal. Nature Matériauxdans un article de Daniel Schwalbe-Koda et Zach Jensen, étudiants diplômés du MIT, et des professeurs Elsa Olivetti et Rafael Gomez-Bombarelli.
Les tentatives précédentes visant à comprendre pourquoi seul ce petit groupe de compositions possibles de zéolithes a été identifié et à expliquer pourquoi certains types de zéolithes peuvent être transformés en d’autres types spécifiques n’ont pas abouti à une théorie qui correspond aux données observées. Maintenant, l’équipe du MIT a développé une approche mathématique pour décrire les différentes structures moléculaires. L’approche est basée sur la théorie des graphes, qui permet de prédire quelles paires de types de zéolithes peuvent être transformées de l’une à l’autre.
Il pourrait s’agir d’une étape importante dans la recherche de moyens de fabriquer des zéolithes adaptées à des fins spécifiques. Elle pourrait également conduire à de nouvelles voies de production, puisqu’elle prédit certaines transformations qui n’ont pas encore été observées. De plus, il suggère la possibilité de produire des zéolithes qui n’ont jamais été vues auparavant, puisque certains des appariements prévus mèneraient à des transformations en de nouveaux types de structures zéolitiques.
Transformations interzéolitiques
Les zéolithes sont aujourd’hui largement utilisées dans des applications aussi variées que la catalyse du « craquage » du pétrole dans les raffineries ou l’absorption des odeurs comme composants de litière pour chats. Encore plus d’applications peuvent devenir possibles si les chercheurs peuvent créer de nouveaux types de zéolithes, par exemple avec des tailles de pores adaptées à des types spécifiques de filtration.
Toutes sortes de zéolithes sont des minéraux silicatés, dont la composition chimique est similaire à celle du quartz. En fait, sur des échelles de temps géologiques, ils finiront tous par se transformer en quartz – une forme beaucoup plus dense du minéral – explique Gomez-Bombarelli, qui est le professeur adjoint Toyota en traitement des matériaux. Mais en attendant, ils se présentent sous une forme « métastable », qui peut parfois être transformée en une forme métastable différente en appliquant de la chaleur ou de la pression ou les deux. Certaines de ces transformations sont bien connues et déjà utilisées pour produire les variétés de zéolithes désirées à partir de formes naturelles plus facilement disponibles.
Actuellement, de nombreuses zéolithes sont produites à l’aide de composés chimiques connus sous le nom d’OSDA (organic structure-directing agents), qui fournissent une sorte de modèle pour leur cristallisation. Mais Gomez-Bombarelli dit que si au lieu de cela ils peuvent être produits par la transformation d’une autre forme de zéolite facilement disponible, « c’est vraiment excitant. Si nous n’avons pas besoin d’utiliser des OSDA, alors c’est beaucoup moins cher (pour produire le matériel), le matériel organique est très cher. Tout ce qu’on peut faire pour éviter les matières organiques nous rapproche de la production industrielle. »
La modélisation chimique traditionnelle de la structure de différents composés zéolitiques, que les chercheurs ont découvert, ne fournit aucun indice réel pour trouver les paires de zéolithes qui peuvent facilement se transformer de l’une à l’autre. Les composés qui paraissent structurellement similaires ne sont parfois pas soumis à de telles transformations, et d’autres paires qui sont très dissemblables s’avèrent facilement interchangeables. Pour orienter ses recherches, l’équipe a utilisé un système d’intelligence artificielle précédemment développé par le groupe Olivetti pour « lire » plus de 70 000 articles de recherche sur les zéolites et sélectionner ceux qui identifient spécifiquement les transformations interzéolitiques. Ils ont ensuite étudié ces paires en détail pour essayer d’identifier des caractéristiques communes.
Ce qu’ils ont découvert, c’est qu’une description topologique basée sur la théorie des graphes, plutôt que sur la modélisation structurelle traditionnelle, identifiait clairement les paires pertinentes. Ces descriptions graphiques, basées sur le nombre et l’emplacement des liaisons chimiques dans les solides plutôt que sur leur disposition physique réelle, ont montré que tous les appariements connus avaient des graphiques presque identiques. Aucun graphique identique n’a été trouvé parmi les paires qui n’étaient pas sujettes à transformation.
La découverte a révélé quelques appariements auparavant inconnus, dont certains se sont révélés correspondre à des observations préliminaires en laboratoire qui n’avaient pas été identifiées comme telles auparavant, ce qui a permis de valider le nouveau modèle. Le système a également réussi à prédire quelles formes de zéolithes peuvent s’entrecroiser – formant des combinaisons de deux types qui sont entrelacées comme les doigts sur deux mains serrées. De telles combinaisons sont également commercialement utiles, par exemple pour des étapes de catalyse séquentielle utilisant différents matériaux zéolitiques.
Mûrs pour des recherches plus poussées
Les nouvelles découvertes pourraient aussi aider à expliquer pourquoi plusieurs des formations de zéolithes théoriquement possibles ne semblent pas réellement exister. Puisque certaines formes se transforment facilement en d’autres, il se peut que certaines d’entre elles se transforment si rapidement qu’elles ne sont jamais observées d’elles-mêmes. Le dépistage à l’aide de l’approche fondée sur des graphiques peut révéler certains de ces appariements inconnus et montrer pourquoi ces formes à courte durée de vie ne sont pas observées.
Certaines zéolithes, selon le modèle graphique, « n’ont pas de partenaires hypothétiques avec le même graphique, il n’est donc pas logique d’essayer de les transformer, mais certaines ont des milliers de partenaires » et sont donc mûres pour de nouvelles recherches, dit Gomez-Bombarelli.
En principe, les nouvelles découvertes pourraient mener à la mise au point d’une variété de nouveaux catalyseurs, adaptés aux réactions chimiques exactes qu’ils sont censés favoriser. Gomez-Bombarelli dit que presque n’importe quelle réaction désirée pourrait hypothétiquement trouver un matériau zéolitique approprié pour le promouvoir.
« Les expérimentateurs sont très enthousiastes à l’idée de trouver un langage prédictif pour décrire leurs transformations « , dit-il.
Ces travaux constituent » un progrès majeur dans la compréhension des transformations interzéolitiques, qui sont devenues un sujet de plus en plus important en raison du potentiel d’utilisation de ces procédés pour améliorer l’efficacité et l’économie de la production commerciale de zéolithe « , explique Jeffrey Rimer, professeur associé de génie chimique et biomoléculaire à l’Université de Houston, qui ne s’est pas engagé dans cette recherche.
Manuel Moliner, scientifique titulaire à l’Université technique de Valence, en Espagne, qui n’était pas non plus lié à cette recherche, déclare : « Comprendre les paires impliquées dans les transformations interzéolitiques particulières, en considérant non seulement les zéolites connues mais aussi des centaines de zéolites hypothétiques qui n’ont jamais été synthétisées, ouvre des opportunités pratiques extraordinaires pour rationaliser et diriger la synthèse des zéolites cibles avec intérêt potentiel comme catalyseur industriel ».
Cette recherche a été appuyée, en partie, par la National Science Foundation et le Office of Naval Research.
