Siêu khoáng sản đa chức năng

Vật liệu này bằng khoảng 1 một phần 3 bao bột giặt cỡ trung bình và giúp tinh chế 99% xăng dầu trên toàn thế giới. Nó cũng được sử dụng để dọn dẹp chất thải hạt nhân. Vật liệu đặc biệt hữu ích nói trên chính là Zeolit. Ở dạng tự nhiên nó bắt nguồn từ núi lửa nhưng được tổng hợp cho mục đích thương mại.

Một nhóm các nhà khoa học châu Âu lần đầu tiên sử dụng ESRF để tiết lộ cấu trúc hóa học của nó. Nghiên cứu được công bố trên Nature Materials ngày 22 tháng 6 mở ra trang mới cho thế hệ zeolit hiệu quả cao hơn trong tương lai.

Zeolit là khoáng sản kết tinh màu trắng, hầu hết được tạo ra từ nhôm, silic và oxy. Cấu trúc của nó là một lưới phân tử, giống như một cái sàng. Nhờ cấu trúc này, chúng thường được sử dụng với vai trò là “sàng phân tử”. Điều đó có nghĩa là với các lỗ trong cấu trúc, chúng có thể tách rời các phân tử và tạo các phản ứng khác nhau.

Do đó mà nó có ý nghĩa quyết định trong quá trình xử lý xăng dầu và chế tạo hóa chất. Zeolit cũng có khả năng kích thích quá trình trao đổi ion, điều này rất hữu ích trong việc làm mềm nước hoặc dọn dẹp chất thải hạt nhân (bằng cách lọc các thành phần phóng xạ).

Cấu trúc của zeolit scolecite, nguyên tử nhôm và silic là các khối cầu to, được kết nối bằng nguyên tử oxy màu xanh. Các chỗ hở trong cấu trúc là các lỗ có nhiệm vụ chuyên chở các phân tử qua tinh thể đến vùng hoạt tính. Mặt phẳng nơi phân tán trong thí nghiệm sóng tia X đứng xuất hiện được đánh dấu; thí nghiệm biểu thị sự phân bố của nhôm và silic trong tinh thể, đem lại hiểu biết mới về vị trí vùng hoạt tính của zeolit. (Ảnh: J. Van Bokhoven)

Do chúng có tầm quan trọng lớn trong công nghiệp, nên đã có rất nhiều nghiên cứu mở rộng về zeolit trên toàn thế giới. Tuy nhiên, chúng ta vẫn chưa tìm ra được khía cạnh quyết định của nó. Tính năng và hiệu quả của zeolit phụ thuộc vào các thông số khác nhau, ví dụ như kích thước các lỗ và sự phân bố nhôm trong cấu trúc của zeolit. Dù vậy, vẫn chưa xác định được vị trí của nhôm hoạt tính trong vật liệu.

Nhóm nghiên cứu thuộc ETH Zurich, Cơ sở bức xạ Xicrôtron châu Âu (ESRF), Diamond Light, đại học Torino và đại học Hamburg đã xác định một cách trực tiếp và rõ ràng sự phân bố của nhôm trong zeolit, bằng cách sử dụng kỹ thuật sóng tia X đứng tại ESRF.

Đối tượng của cuộc nghiên cứu là zeolit scolecite, một khoáng sản tự nhiên từ một vùng giàu zeolit tại Puna, Ấn Độ. Zeolit tự nhiên thường không được sử dụng trong công nghiệp vì chúng chứa nhiều tạp chất hơn zeolit tổng hợp. Tuy nhiên, chúng có thể được sử dụng trong việc dọn dẹp chất thải hạt nhân. Sau thảm họa Chernobyl, hàng tấn zeolit đã được sử dụng cho mục đích làm sạch vùng bị ô nhiễm phóng xạ.

Kết quả từ các thí nghiệm tại ESRF đem lại triển vọng cho tương lai của zeolit. Jeroen van Bokhovem, tác giả của bài báo trên Nature Materials, giải thích: “Có thể trả lời câu hỏi về vị trí vùng hoạt tính, chúng tôi đã mở cánh cửa đến với hiểu biết về mối quan hệ giữa cấu trúc và khả năng hoạt động của zeolit. Điều này sẽ mang lại các phương thức cải tiến zeolit tổng hợp”.

Thách thức tiếp theo cho nhóm là nghiên cứu zeolit tổng hợp với phương pháp trên. Trong khi zeolit tự nhiên, ví dụ như scolecite, chứa tinh thể có kích thước cỡ milimét; đối với zeolit tổng hợp, kích thước này nhỏ hơn nhiều, thường không lớn hơn một vài micromét.

Joerg Zegenhagen, phụ trách ESRF beamline (đường vận động của phân tử qua máy gia tốc tuyến tính) nơi các thí nghiệm diễn ra, giải thích: “Chúng tôi cũng đã bắt đầu nghiên cứu zeolit tổng hợp công nghiệp, nhưng chưa hoàn thành. Chúng tôi đang phát triển các yếu tố beamline để trong tương lai gần chúng ta có thể có lượng thông tin thấu đáo về zeolit tổng hợp giống như scolecite”.