對于肉眼，大多數(shù)材料具有相對光滑的表面。但在高倍放大下，這些表面可能布滿小孔或孔隙。多孔材料具有一系列有用的用途，從分離化學(xué)品到將有機(jī)分子轉(zhuǎn)化為所需的產(chǎn)品或燃料。

已知一類這樣的材料Zeolite具有不同尺寸的孔，這使得它們可以用于一系列不同的應(yīng)用。科學(xué)家們已經(jīng)學(xué)會了如何制造具有可控孔徑和活性催化位點(diǎn)的定制沸石，以進(jìn)行選擇性化學(xué)反應(yīng)。然而，關(guān)于沸石孔隙內(nèi)部究竟發(fā)生了什么，特別是水如何影響系統(tǒng)的整體行為，許多基本問題仍然存在。由于水存在于許多關(guān)鍵的化學(xué)轉(zhuǎn)化中，不了解其作用會限制旨在控制沸石反應(yīng)性的策略的有效性。

來自太平洋西北國家實(shí)驗(yàn)室 (PNNL) 的一組科學(xué)家及其在熱那亞意大利理工學(xué)院和盧加諾意大利大學(xué)的合作者使用計(jì)算機(jī)模擬來解釋沸石孔隙內(nèi)的水如何影響它們進(jìn)行有用的化學(xué)反應(yīng).?他們的結(jié)果有助于解釋以前令人困惑的實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果，并提出了創(chuàng)造設(shè)計(jì)師沸石的新方法。“研究人員一直在爭論水在沸石中的作用，以及不同的孔隙如何影響它們的反應(yīng)性。我們很高興使用分子模擬來參與辯論，”PNNL 計(jì)算科學(xué)家 Vanda Glezakou 說。

天然沸石是硅原子和鋁原子與氧結(jié)合形成多孔固體的連接網(wǎng)絡(luò)。此前，研究人員通過控制孔徑來限制某些化學(xué)物質(zhì)（如水）進(jìn)入的量來調(diào)整沸石的反應(yīng)性。 然而，PNNL 科學(xué)家 Vanda Glezakou、Roger Rousseau、Johannes Lercher 和他們的合作者發(fā)現(xiàn)這可能不是控制水相互作用的正確方法。他們的發(fā)現(xiàn)在Nature Communications 中有詳細(xì)介紹，探討了水在沸石中備受爭議的作用。結(jié)果表明，無論孔徑大小或其他沸石特性如何，水都會在孔隙壁上形成團(tuán)簇，就像巖石上的苔蘚一樣。研究團(tuán)隊(duì)使用統(tǒng)計(jì)方法對意大利和瑞士的團(tuán)隊(duì)成員開發(fā)的復(fù)雜化學(xué)建模來應(yīng)對挑戰(zhàn)。他們的方法表明，水團(tuán)簇通過形成納米尺寸的液滴來溶解活性質(zhì)子，從而影響整個系統(tǒng)的反應(yīng)性。

但是，像水這樣簡單的東西如何能顯著改變沸石作為催化劑的作用呢？這一切都?xì)w結(jié)為分子之間的相互作用。當(dāng)水團(tuán)簇形成時，它會調(diào)動一種稱為質(zhì)子的帶正電粒子——催化的積極驅(qū)動因素——它溶解在水中。結(jié)果的普遍性強(qiáng)調(diào)了質(zhì)子在水在沸石催化的化學(xué)反應(yīng)中的關(guān)鍵作用。

這項(xiàng)研究首次證明，執(zhí)行重要催化轉(zhuǎn)化的質(zhì)子不依賴于沸石孔的大小。與水團(tuán)簇相關(guān)的質(zhì)子與附著在孔壁上的質(zhì)子具有非常不同的特性，這會改變它在化學(xué)反應(yīng)中的行為。從這項(xiàng)研究中獲得的新理解可以幫助指導(dǎo)研究人員嘗試制造可以充當(dāng)更有效催化劑的新型沸石，尤其是在低溫下，水團(tuán)簇在孔隙內(nèi)保持緊密連接。

這項(xiàng)研究還為詳細(xì)研究沸石中的催化作用提供了基礎(chǔ)。對于團(tuán)隊(duì)來說，工作只是開始。他們的結(jié)果表明，尖端計(jì)算方法成功應(yīng)用于催化系統(tǒng)，并確定了水團(tuán)簇在控制沸石酸度中的作用。這些基礎(chǔ)見解可以為未來的研究提供信息，這些研究將目標(biāo)分子和活性水簇催化劑結(jié)合起來，以模擬重要的能量相關(guān)反應(yīng)。這項(xiàng)工作得到了美國能源部科學(xué)辦公室的支持。