沸石是一类天然或人造的矿物，具有海绵状结构，上面布满细小的孔，使其可用作催化剂或超细过滤器。但是在理论上可能的数百万种沸石组合物中，到目前为止，仅发现或制造了约种。现在，麻省理工学院的研究有助于解释为什么只发现了这一小部分，并可以帮助科学家发现或生产更多具有所需性能的沸石。
麻省理工学院的研究生丹尼尔·史瓦比·科达和扎克·詹森，以及艾尔莎·奥利维蒂教授和拉斐尔·戈麦斯-邦巴雷利教授在本周在《自然材料》杂志上报道了这一新发现,并解释了为什么某些类型的沸石可以转化为其他特定类型的原因的先前尝试未能提出与观察到的数据相匹配的理论。现在，麻省理工学院的研究小组已经开发出一种数学方法来描述不同的分子结构。该方法基于图论，该图论可以预测哪些对沸石类型可以从一种转化为另一种。由于它可以预测以前未曾观察到的某些转变，因此也可能导致新的生产途径。并且，它暗示了产生以前从未见过的沸石的可能性，因为某些预测的配对将导致转变成新型的沸石结构。
如今，沸石广泛用于各种应用中，例如催化炼油厂中的石油“裂解”并吸收猫砂箱填料中的气味。如果研究人员可以制造新型的沸石，例如具有适合特定类型的过滤孔径的沸石，则可能会有更多的应用。各种沸石都是硅酸盐矿物，化学成分与石英相似。实际上，在地质时间尺度上，它们最终都将转变为石英-一种密度更高的矿物-丰田公司材料加工副教授戈麦斯-邦巴拉利解释说。但与此同时，它们处于“可变换”形式，有时可以通过施加热量或施加压力或同时施加热量和压力将其转变为不同的亚稳态形式。这些转化中的一些是众所周知的，并且已经用于从更容易获得的天然形式生产所需的沸石品种。
研究人员发现，对不同沸石化合物的结构进行传统的化学建模，并没有找到找到易于从一种转化为另一种的成对沸石的真正线索。在结构上看起来相似的化合物有时不会进行此类转化，而其他非常相似的化合物对很容易互换。为了指导他们的研究，该团队使用了由Olivetti小组先前开发的人工智能系统来“阅读”超过70,篇有关沸石的研究论文，并选择专门鉴定沸石间转化的论文。他们发现，基于图论而不是传统的结构建模的拓扑描述清楚地标识了相关的配对。这些基于图的描述，基于固体中化学键的数量和位置而不是其实际物理排列，表明所有已知的配对都具有几乎相同的图。在未进行转换的对之间未找到此类相同的图。这些类型的交织就像手指在两只紧握的手上。这样的组合在商业上也是有用的，例如用于使用不同沸石材料的连续催化步骤。
根据图模型，一些沸石“在相同的图中没有假设的伙伴，因此尝试对其进行转化没有任何意义，但有些沸石具有数千个伙伴”，因此进一步研究的时机已经成熟，Gomez-Bombarelli说。原则上，这些新发现可能会导致开发出各种新型催化剂，并根据它们要促进的确切化学反应进行调整。Gomez-Bombarelli说，假设几乎所有需要的反应都可以找到合适的沸石材料来促进它。美国化学副教授杰弗里·里默（JeffreyRimer）说：“这项工作是对沸石间转变的理解的一项重大进步，由于使用这些工艺可以提高商业沸石生产的效率和经济性，它已成为越来越重要的话题”。西班牙瓦伦西亚技术大学的终身科学家曼努埃尔·莫利纳说：“了解特定的沸石间转化涉及的分子对，不仅要考虑已知的沸石，还要考虑数百种假想的沸石。从来没有被合成过，它为合理化和指导目标沸石的合成提供了特殊的实践机会，并有可能成为工业催化剂。”这项研究，目前得到了美国国家科学基金会和海军研究办公室的支持。