Porösa kristaller silar molekyler

Zeoliter är porösa kristaller som genomkorsas av fina, nanometersmå, kanaler, bara någon miljondels millimeter i diameter.

Vid Stockholms universitet finns ett tjugotal forskare som under ledning av professor Xiaodong Zou bygger sådana små kristaller. Parallellt utvecklar de metoder för att kunna visa hur de ser ut, på atomnivå.

I slutet av januari kunde de i tidskriften Nature Chemistry visa den så kallade atomstrukturen av en zeolit som har en helt ny, och ovanligt komplex, uppbyggnad.

— Sådana kunskaper om hur porer och kanaler i zeoliterna ser ut, är avgörande för att kunna se vilka tillämpningarna är, säger Xiaodong Zou.

Form och storlek är viktigt

Kanalsystemen kan exempelvis fungera som silar för molekyler. Vissa kan tränga in i kanalerna medan andra blir kvar utanför, beroende på hur de passar i porernas storlek och form.

Zeoliterna kan även fungera som katalysatorer. Den som nyligen presenterades i Nature Chemistry, kan till exempel omvandla bensin till diesel.

Forskarna kan se den specifika användningen eftersom de känner till strukturen, den tredimensionella ordningen på atomerna, i zeoliten. Att ta reda på den är dock ingen enkel uppgift. Zeoliterna är för små för att studeras med de metoder som idag används för större kristaller, som röntgendiffraktion med synkrotronljus.

För Xiaodong Zou är problemet inte nytt. Hon började redan som doktorand på Stockholms universitet på 1980-talet att arbeta med metoder för att strukturbestämma riktigt små kristaller.

Ny metod ger 3D-data

I den metod som hon nu utvecklar tillsammans med maken och professorskollegan Sven Hovmöller, används ett så kallat transmissionselektronmikroskop. Tredimensionella data från nanometerstora kristaller samlas in automatiskt. Med avancerade datorberäkningar skapas sedan en modell för hur kristallen ser ut på atomnivå.

— Detta kan bli ett genombrott för strukturbestämning av nanokristaller.

Ökade kunskaper är nödvändiga för att det ska bli möjligt med skräddarsydd tillverkning av kristaller för specifika tillämpningar.

Vill skräddarsy material

Idag utgår man från en mall, en organisk molekyl. Den blandas med ämnen som ska ingå i den färdiga zeoliten, som kisel och aluminium.

Blandningen värms sedan upp, ofta under högt tryck. Zeoliten växer fram runt den organiska molekylen som sedan kan avlägsnas. Kvar blir en kristall med hålrum och kanaler.

På väggarna i Xiaodong Zous arbetsrum på universitet finns rader av bilder av färgglada zeoliter som gruppen har tagit fram. Hittills har det blivit runt 80 stycken.

Forskarna kan dock inte vid tillverkningen förutsäga form och storlek på porerna som bildas. Därför bygger de nu en databas där de ska samla egna och andras kunskaper om hur de porösa kristallerna tillverkas. Det kan till exempel handla om vilka byggenheter och syntesparametrar som används. Där ska också finnas information om kristallernas struktur.

— Vi vill se sambanden för att bättre förstå hur zeoliter kristalliserar och kunna tillverka dem med förutbestämd design. Idag är det ganska slumpmässigt vad det blir, säger hon.

Fotnot: Forskningen om porösa material sker inom Berzeliicentret EXSELENT som stöds av Vetenskapsrådet, Vinnova och tio företag, bland annat Astra Zeneca, Cambrex och Exxon Mobil. Enskilda forskare får projektbidrag från Vetenskapsrådet, några får stöd också från Energimyndigheten, Vinnova och Knut och Alice Wallenbergs stiftelse.

Se film som visar tredimensionella diffraktionsdata från det porösa materialet titanosilikat (ETS-10).
Xiaodong Zou sida på Stockholms universitet
Artikeln i Nature Chemistry