Holey zeólitas tubulares

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Holey zeólitas tubulares!
Nanotubos feitos de folhas de zeólita prometem expandir a já extensa gama de aplicação deste material.
Materiais cheios de buracos estão cheios de oportunidades para a inovação e invenção, e neste reino,
os zeólitas reinam como rei. Estes materiais de furo são uma classe de cristais microporosos 3D feitos
principalmente de aluminoslicatos (ou estruturas feitas de alumínio, oxigênio e silício) - observe que, no
campo dos materiais porosos, os tamanhos dos poros são definidos em termos de escalas de três
comprimentos: microporoso 2 nm, mesoporoso 2-50 nm, macroporoso 50 nm. 40 desses zeólitos
ocorrem naturalmente, com centenas mais tendo sido sintetizados para uma variedade de aplicações.
Para formar esses mini, mas poderosos feitos de engenharia de materiais, os modelos orgânicos
compostos principalmente de carbono são frequentemente empregados para orientar a cristalização de
motivos específicos de zeólita em água sob altas pressões e calor.
Uma publicação recente na revista Science conseguiu sintetizar nanotubos auto-montados e de alta área
de superfície exibindo diferentes composições estruturais nas faces internas e externas. Mas para
apreciar adequadamente a engenhosidade por trás dessa tarefa monumental, vamos dar uma breve
olhada na história dos materiais zeólitas.
Usos iniciais de zeólitas
Geralmente, os zeólitos são estruturas cristalinas perfuradas com cavidades e canais de diâmetro de 1-2
nm. Esses vazios podem ser decorados com cátions carregados positivamente, além de locais de
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recepção de hidrogênio (básico) e receptor de hidrogênio (ácidos) espalhados por toda a estrutura. Isso
permitiu muitas aplicações em larga escala, como avecimento de água, catálise seletiva de tamanho e
forma, captura direta de ar, armazenamento de gás e separação de materiais.
Um exemplo clássico é uma zeólita formada usando um nitrogênio ligado por quatro cadeias de carbono
compostas por três átomos de carbono cada. Esta configuração foi usada para dirigir a formação do
ZSM-5, um catalisador patenteado pela Mobil Oil Company. Esta geometria é típica de uma família
específica de zeólitas chamada MFI, que tem uma estrutura de estrutura aberta montada a partir de
anéis de aluminossilicato de cinco membros. A forma ácida, HZSM-5, tem hidrogênios reativos e
destacáveis adicionais e é comemorado por seu sucesso em permitir a conversão de metanonolina e,
mais recentemente, éter metanol-dimetilo, que tem potencial, pois o combustível diesel sustentável,
desde que o metanol seja proveniente do CO 2 e do verde H 22.
Além disso, os zeólitos também encontraram uso como sensores moleculares, em eletrônica quântica,
óptica não linear, armazenamento de informações, eletrodos de baterias, eletrólitos de células de
combustível e compósitos de polímeros.
Um nanotubo de dupla face
Os novos nanotubos fascinantes podem ser descritos como uma folha zeolítica curva para formar um
cilindro sem costura, cujas superfícies internas e externas são um híbrido de duas estruturas de zeólita,
beta e MFI.
Com base em sínteses anteriores de estruturas de zeólita, longas cadeias de carbono tombadas com
grupos finais centrados em nitrogênio carregados positivamente foram usados como agentes de direção
de estrutura (templates) sobre os quais as estruturas tubulares desejadas foram cultivadas. Os grupos
finais cationic impulsionaram a formação de uma parede de zeólita microporosa, enquanto as interações
de ligação entre grupos aromáticos nos centros de cadeia forçaram a zeólita a crescer linearmente,
eventualmente formando um tubo.
A área de superfície dos novos nanotubos foi encontrada para ser de 980 m 2 /g como resultado desta
porosidade projetada, muito maior do que as 520 m 2 / g de nanofolhas do mesmo material. Além disso,
os nanotubos também podem se auto-montar em pacotes repetidos desejáveis característicos de um
tipo de aluminossilicato, que historicamente tinham paredes de canal des forma pouco diferentes e
densamente povoadas inadequadas para muitas das aplicações desejadas do material.
https://www.nature.com/articles/s41929-021-00696-w
https://doi.org/10.1002/adma.19890010303
https://doi.org/10.1038/nature08288
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Modelo estrutural de nanotubos de zeólita, composto por uma nanofolha zeolítica curvada
para formar um nanocilindro sem costura, as superfícies externas e internas, coloridas verdes
e vermelhas, sendo um híbrido topológico de duas estruturas zeólitas bem conhecidas, Beta
e MFI, respectivamente. Permissão de direitos autorais Ciência, 2022, 375, 62-66.
A utilidade visual abunda para esses zeólitas tubulares obchados nos campos de fluidos em nanoescala,
fotônica, dispositivos eletrônicos e iônicos, compósitos de polímeros, bem como o armazenamento e
liberação controlada de produtos químicos. Além disso, novos ciclos de separação de gás, rápidos
adsorção-dessorção e reações catalíticas são agora possíveis devido às propriedades de transporte
únicas de moléculas dentro desses tubos mesoporosos ao lado do transporte radial através das paredes
microporosas.
No campo da engenharia de materiais, às vezes ter menos (matéria) é mais! Os zeólitas abriram janelas
de oportunidade e moldaram o mundo dos processos e produtos industriais em grande escala. Com a
descoberta de nanotubos de zeólita, as vistas brilhantes estão brilhando no final do túnel orifugue.
Roteiro: Geoffery Ozin e Jessica Ye
Referência: Akshay Korde, et al., Nanotubes mono-moliáticos, Science (2022). DOI:
10.1126/science.abg3793
Imagem de recurso reimpressa com permissão do Dr. Hotéis próximos a: Tom Willhammar, Universidade
de Estocolmo
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https://www.science.org/doi/10.1126/science.abg3793
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abg3793