Ученые МГУ изучили механизм работы минеральных «молекулярных дверей»

Цеолиты — группа алюмосиликатов с пористой трехмерной решеткой из чередующихся тетраэдров SiO4  и AlO4, в которой содержатся и катионы металлов. Благодаря своему сложному трехмерному строению цеолиты обладают молекулярно-ситовым эффектом – избирательно поглощают или пропускают молекулы газов или жидкостей. Селективность поглощения определяется соотношением размеров пор внутри цеолитов и диаметра молекул. Искусственно синтезированные и природные цеолиты применяют в водоочистительных приборах в качестве адсорбентов, ионообменников, молекулярных сит, катализаторов многих процессов нефтехимии и нефтепереработки. Важное свойство цеолитов – активно поглощать углекислый газ. Его используют в системах жизнеобеспечения космических станций.

 

Невыясненной проблемой оставалась способность цеолитов адсорбировать молекулы CO2 при размерах пор цеолита, меньших диаметра молекулы углекислого газа. Несколько лет назад австралийские ученые предположили, что молекулы CO2 попадают внутрь цеолитов благодаря взаимодействию с катионами металла, которое изменяет их положение в структуре цеолита. По предположению ученых, несколько молекул диоксида углерода могут отпирать «замок» в виде катиона металла и позволять другим молекулам CO2 проникать внутрь. Российские исследователи с помощью метода квантовой молекулярной динамики выяснили, что австралийцы ошиблись: ключом становятся не сами молекулыCO2, а их производные, отрицательные ионы. Это карбонат-анион CO32-и гидрокарбонат-анион HCO3-, образующиеся при взаимодействии воды с углекислым газом. Сотрудники МГУ проводили расчеты на суперкомпьютерах «Ломоносов-1» и «Ломоносов-2». Ученые моделировали поведение молекул CO2, карбонат-анионов и катионов Na+, K+в структуре искусственного цеолита NaKA. Оказалось, что ионы K+в алюмосиликатном каркасе образуют устойчивые соединения с карбонат-анионами под действием электростатического взаимодействия и, дрейфуя вместе, смещаются из блокирующих позиций. Молекулы CO2 влияния на местоположение ионов калия в структуре не оказывают.

 

«Согласно нашим расчетам, ключевую роль играют карбонат-анионы, которые образуются в результате гидролиза углекислого газа при комнатной температуре. Обнаруженный механизм позволит построить корректные модели адсорбции для широкого круга пористых систем и предсказать возможные аномалии поглощения CO2 как цеолитами, так и вновь создаваемыми материалами», - рассказал научный сотрудник НИИ механики МГУ Илья Брюханов.