沸石是一類天然或人造的礦物，具有海綿狀結構，上面布滿細小的孔，使其可用作催化劑或超細過濾器。但是在理論上可能的數百萬種沸石組合物中，到目前為止，僅發現或制造了約248種。現在，麻省理工學院的研究有助于解釋為什么只發現了這一小部分，并可以幫助科學家發現或生產更多具有所需性能的沸石。

麻省理工學院的研究生丹尼爾·史瓦比·科達和扎克·詹森，以及艾爾莎·奧利維蒂教授和拉斐爾·戈麥斯-邦巴雷利教授在本周在《自然材料》雜志上報道了這一新發現,并解釋了為什么某些類型的沸石可以轉化為其他特定類型的原因的先前嘗試未能提出與觀察到的數據相匹配的理論。現在，麻省理工學院的研究小組已經開發出一種數學方法來描述不同的分子結構。該方法基于圖論，該圖論可以預測哪些對沸石類型可以從一種轉化為另一種。由于它可以預測以前未曾觀察到的某些轉變，因此也可能導致新的生產途徑。并且，它暗示了產生以前從未見過的沸石的可能性，因為某些預測的配對將導致轉變成新型的沸石結構。

如今，沸石廣泛用于各種應用中，例如催化煉油廠中的石油“裂解”并吸收貓砂箱填料中的氣味。如果研究人員可以制造新型的沸石，例如具有適合特定類型的過濾孔徑的沸石，則可能會有更多的應用。各種沸石都是硅酸鹽礦物，化學成分與石英相似。實際上，在地質時間尺度上，它們最終都將轉變為石英-一種密度更高的礦物-豐田公司材料加工副教授戈麥斯-邦巴拉利解釋說。但與此同時，它們處于“可變換”形式，有時可以通過施加熱量或施加壓力或同時施加熱量和壓力將其轉變為不同的亞穩態形式。這些轉化中的一些是眾所周知的，并且已經用于從更容易獲得的天然形式生產所需的沸石品種。

研究人員發現，對不同沸石化合物的結構進行傳統的化學建模，并沒有找到找到易于從一種轉化為另一種的成對沸石的真正線索。在結構上看起來相似的化合物有時不會進行此類轉化，而其他非常相似的化合物對很容易互換。為了指導他們的研究，該團隊使用了由Olivetti小組先前開發的人工智能系統來“閱讀”超過70,000篇有關沸石的研究論文，并選擇專門鑒定沸石間轉化的論文。他們發現，基于圖論而不是傳統的結構建模的拓撲描述清楚地標識了相關的配對。這些基于圖的描述，基于固體中化學鍵的數量和位置而不是其實際物理排列，表明所有已知的配對都具有幾乎相同的圖。在未進行轉換的對之間未找到此類相同的圖。這些類型的交織就像手指在兩只緊握的手上。這樣的組合在商業上也是有用的，例如用于使用不同沸石材料的連續催化步驟。

根據圖模型，一些沸石“在相同的圖中沒有假設的伙伴，因此嘗試對其進行轉化沒有任何意義，但有些沸石具有數千個伙伴”，因此進一步研究的時機已經成熟，Gomez-Bombarelli說。原則上，這些新發現可能會導致開發出各種新型催化劑，并根據它們要促進的確切化學反應進行調整。Gomez-Bombarelli說，假設幾乎所有需要的反應都可以找到合適的沸石材料來促進它。美國化學副教授杰弗里·里默（Jeffrey Rimer）說：“這項工作是對沸石間轉變的理解的一項重大進步，由于使用這些工藝可以提高商業沸石生產的效率和經濟性，它已成為越來越重要的話題”。西班牙瓦倫西亞技術大學的終身科學家曼努埃爾·莫利納說：“了解特定的沸石間轉化涉及的分子對，不僅要考慮已知的沸石，還要考慮數百種假想的沸石。從來沒有被合成過，它為合理化和指導目標沸石的合成提供了特殊的實踐機會，并有可能成為工業催化劑。”這項研究，目前得到了美國國家科學基金會和海軍研究辦公室的支持。