Tomrummets rikedom
Naturen hatar tomrum. Atomer och molekyler i alla vätskor och fasta ämnen ligger tätt packade invid varandra. Ett mycket ovanligt undantag utgörs av zeoliter som är porösa material uppbyggda av silikater (samma material som i glas). Hålrummen i zeoliterna bildar intrikata kanalsystem. Två utmaningar har varit att göra hålrummen större än 2 nanometer (mesoporösa) och – svårast av allt – att göra kanaler av en bestämd hänthet (kiral).
Nu har forskare vid Berzeliicentrum EXSELENT, Stockholms universitet, tillsammans med forskare i Valencia lyckas att bygga och strukturbestämma den första kirala zeolitkristallen med runt två nanometer stora hålrum. Resultatet av forskningen har nyligen publicerats i den vetenskapliga tidskriften Nature.
Vissa molekyler kan tränga in i porerna medan andra stoppas utanför. Tomrummen i ihåliga kristaller används mycket industriellt för att adsorbera och separera olika ämnen och för katalys, dvs att påskynda kemiska processer. När tjockolja omvandlas till bensin i oljeraffinaderier, då är det zeoliter som katalyserar processen. Storleken av och formen på porerna är därför mycket viktiga.
Alla biologiska molekyler och läkemedel har en 3-dimensionell struktur som inte är densamma som dess spegelbild. Sådana molekyler kallas kirala. Det är som våra höger- och vänsterhänder. Ett läkemedel passar ihop med den biologiska molekylen som det ska påverka, precis som en hand i en handske.
För att underlätta tillverkningen av rätta höger- respektive vänsterformer är det viktigt att kunna framställa kirala zeoliter med stora hålrum. Hittills har man bara kunnat tillverka zeoliter med hålrummen mindre än 1.5 nm, alla utom ett fåtal är icke-kirala, dvs sådana som inte skiljer mellan höger- och vänsterformerna. Det är ungefär som tumvantar som kan göras så att de passar båda händerna lika bra.
Material med hålrummen större än 2 nm kallas mesoporösamaterial. De flesta mesoporösa materialen har dock en oordnad (amorf) vägg byggd av kiseloxider, medan porerna är ordnade. De olika typerna av kanalsystem i de mesoporösa materialen kan beskrivas som matematiska figurer, så kallade minimalytor.
En av dessa figurer kallas G-minimalytan (efter gyroid) som delar rummet i två lika stora delar, på var sin sida av ytan. De två kanalsystemen i G-ytan är spegelbilder av varandra, dvs en höger- och en vänsterform.
I det nya materialet ITQ-37 (kallas eftersom det framställts på Instituto de Tecnología Química (ITQ) i Valencia) är den ena av de två sidorna av G-ytan fyllt medan det andra är tomt. Det innebär att ITQ-37 har förutsättningar att skilja ut höger- och vänsterformerna av molekyler som är precis så stora att de precis får plats i kanalerna.
Det är en stor utmaning att kartlägga den exakta 3-dimensionella strukturen hos dessa kristaller, eftersom de bara är omkring hundra nanometer stora. Genom att tillämpa en ny metod som kombinerar elektronmikroskopi och pulverröntgendiffraktion, så kallad ”charge flipping” algoritm, lyckades forskarna Junliang Sun, Charlotte Bonneau, Daliang Zhang, Mingrun Li och Xiaodong Zou vid Berzeliicentrum EXSELENT på Stockholms universitet kartlägga den atomära strukturen av den första kirala mesoporösa zeoliten, ITQ-37. Porerna i den nya zeoliten skruvar sig genom materialet liksom gängorna i en mutter, alla åt samma håll, säger Xiaodong Zou, professor i strukturkemi och föreståndare för Berzeliicentrum EXSELENT för porösa material vid Stockholms universitet.
Upptäckten av ITQ-37 har inte bara visat att det är möjligt att framställa zeoliter med porer i storlkesordningen 2 nanometer, utan också visat på en väg att framställa kristallina material med kirala porer. Detta öppnar nya vägar för osymmetrisk syntes och separation av kirala molekyler.
Artikelns titel: “The ITQ-37 mesoporous chiral zeolite”. Nature, April 30, 2009. DOI: 10.1038/nature07957
Fakta:
Zeoliter: Zeolit betyder på grekiska kokande sten. Zeoliter är ett samlingsnamn för en grupp naturliga och syntetiska mineral med en öppen kristallstruktur. De består i huvudsak av aluminiumsilikat och omfattar cirka 60 naturligt förekommande mineraler och ett hundratal syntetiska motsvarigheter. Zeoliterna innehåller mängder med nanometerstora porer och kanaler och kan användas som katalysatorer, jonbytare och som adsorbenter. Genom att zeoliterna genomkorsas av så många porer får de en kolossalt stor intern yta; ett gram av en zeolit kan ha ungefär lika stor yta som en halvfotbollsplan!
Minimalyta: En minimalyta är sådan att den minimerar ytans area och energi. I dagligt liv kan man enkelt tillverka minimalytor genom att göra såpbubblor på figurer av ståltråd. Den minimalyta som kallas G-ytan består av en kontinuerlig yta som ständigt växlar mellan konkava och konvexa områden. G-ytan har kubisk symmetri, vilket innebär att den precis som en kub ser likadan ut från tre olika håll.
Kontaktinformation
Ytterligare information
Junliang Sun, forskarassistent i strukturkemi, Berzeliicentrum EXSELENT för porösa material, Stockholms universitet, mobil 070-036 3822, e-post: junliangs@struc.su.se.
Xiaodong Zou, professor i strukturkemi, Berzeliicentrum EXSELENT för porösa material, Stockholms universitet, tfn 08-16 23 89, mobil 076-216 8820, e-post: zou@struc.su.se.
För bilder på ITQ-37, se http://www.su.se/pub/jsp/polopoly.jsp?d=6936&a=61180.
