סינתזה של זאוליטים שימוש כביש ADOR (האסיפה-פירוק-ארגון-הרכבה מחדש)
3 באפריל 2016
פרוטוקול להכנת זאוליטים רומן מאת ADOR (א ssembly- D isassembly- O rganization- R eassembly) במסלול הסינתטי מוצג.
המטרה הכללית של סרטון זה היא להדגים את שיטת הפירוק-הרכבה-ארגון-הרכבה מחדש (assembly-disassembly-organization-reassembly) להכנת חומרי זאוליט חדשים, על ידי פירוק של זאוליט שהורכב מראש למרכיביו, לפני ארגונם והרכבתם מחדש בדרכים שונות ליצירת חומרים חדשים. זאוליטים הם מוצקים בעלי חשיבות רבה המשמשים במגוון תעשיות, מזרזים בבתי זיקוק לנפט ועד לציפויים אנטיבקטריאליים במכשור רפואי. שיטת ה-ADOR להכנת זאוליטים שונה מאוד משיטות מסורתיות של סינתזת זאוליט.
וכתוצאה מכך, גם סוגי החומרים שניתן להכין שונים. דבר זה פותח הזדמנויות רבות ליישומים חדשים. בסרטון זה נראה לכם כיצד להכין שני זאוליטים חדשים בעלי גדלי נקבוביות שונים, IPC-4, בעל גודל הנקבוביות הקטן ביותר, ו-IPC-2, הגדול יותר.
כדי להרכיב את זאוליט ה-germanium-UTL ההורה, ראשית המיסו 1.08 גרם של germanium dioxide בתוך 15 מיליליטר של תמיסה של הסוכן המכוון מבנה (structure-directing agent). הוסיפו 1.246 גרם של fumed silicon dioxide, בחלקים, לתמיסה, וערבבו למשך 30 דקות נוספות עד להיווצרות תמיסה הומוגנית. העבירו את הג'ל שהתקבל לאוטוקלב מצופה Polytetrafluoroethylene.
לאחר מכן, הניחו אותו בתנור וחממו ל-175 °C למשך 10 ימים. לאחר 10 ימים, הוציאו את האוטוקלאב מהתנור והניחו לו להתקרר באופן טבעי לטמפרטורת החדר. השגיחו את תוצר ה zeolite הלבן באמצעות סינון.
שטפו בכמויות רבות של מים לפני ייבוש הזיאוליט בטמפרטורה של 70 °C למשך לילה. הסירו את הסוכן המכוון-מבנה מנקבובי הזיאוליט על ידי חימום הזיאוליט ל-550 °C בקצב של 1 °C לדקה, ולאחר מכן השאירו את הטמפרטורה על 550 °C למשך שש שעות לפני קירור לטמפרטורת החדר בקצב של 2 °C לדקה. בצעו בדיקת עקיפת קרני רנטגן של אבקה (powder x-ray diffraction) כדי לאשש את המבנה בהתאם לפרוטוקול היצרן.
יש לאחסן את הזיאוליט שעבר קלצינציה באטמוספירה יבשה ואינרטית כדי למנוע הידרוליזה של החומר. כדי לפרק את הזיאוליט המקורי, יש לבצע הידרוליזה של הגרמניסליקט UTL ליצירת IPC-1P על ידי הוספת 1 gram של זיאוליט שעבר קלצינציה ל-160 milliliters של תמיסת חומצה כלורית 0.1 molar. לאחר חימום של תערובת זו בטמפרטורה של 95 °C למשך 18 שעות, יש לצנן לטמפרטורת החדר ולהבדיל את המוצק באמצעות סינון עם נייר סינון.
יש לשטוף את המוצק בכמויות רבות של מים, ולייבש בטמפרטורה של 70 °C למשך לילה. השלבים הסופיים הם ארגון והרכבה מחדש של ה-IPC-1P לתוך הזאאוליטים החדשים. כדי להכין את זאאוליט IPC-4, יש להניח 0.5 גרם של IPC-1P בכור קרמי.
חממו את הדגימה ל-575 °C בקצב חימום של 1 °C לדקה. לאחר מכן, שמרו על טמפרטורה של 575 °C למשך שש שעות, לפני קירור לטמפרטורת החדר בקצב של 2 °C לדקה. רכשו ספקטרום של עקיפת קרני X של אבקה כדי לאשש את המבנה, בהתאם לפרוטוקול היצרן.
להכנת זאוליט IPC-2, הוסיפו 0.5 גרם של IPC-1P ל-10 מיליליטר של תמיסת חומצה חנקית 1.0 molar. לאחר מכן, הוסיפו לתמיסה 0.1 גרם של Diethoxymethylsilane. העבירו את התמיסה לאוטוקלאב מצופה Polytetrafluoroethylene.
חממו בתנור בטמפרטורה של 175 °C למשך 18 שעות. הוציאו את האוטוקלאב מהתנור והניחו לו להתקרר באופן טבעי לטמפרטורת החדר. השגיחו את המוצר הלבן באמצעות סינון, שטפו בכמויות גדולות של מים, וייבשו בטמפרטורה של 70 °C למשך לילה.
הנח את המוצר בכור קרמי וחמם באמצעות פרוטוקול חימום-קירור. לבסוף, השג ספקטרום של דיפרקציית קרני X של אבקה כדי לאשש את המבנה, בהתאם לפרוטוקול היצרן. הכנת IPC-4 מתחילה עם ה-UTL גרמניום שהורכב מראש.
חשיפה לתמיסה חומצית בריכוז 0.1 מולרית מובילה לפירוק, היוצר IPC-1P. לאחר מכן, שכבות ה-IPC-1P מאורגנות לאוריינטציה נוחה. בנקודה זו, השכבות מורכבות מחדש לזאולית באמצעות קונדנסציה ליצירת IPC-4.
מוצג כאן התהליך הכללי להכנת IPC-2. חשיפה לתמיסה חומצית בריכוז 0.1 molar מובילה להיווצרות של IPC-1P, כפי שהוצג קודם לכן. לאחר מכן, מוכנסים מיני סיליקון נוספים בין השכבות של ה-IPC-1P שהתקבל כדי לארגן את המערכת.
לאחר מכן, השכבות מורכבות מחדש לזאוליט באמצעות קונדנסציה ליצירת IPC-2. ההבדל בין חומרי ה-IPC-2 וה-IPC-4 הסופיים הוא גודל הנקבוביות שלהם, הנובע מהכנסת סיליקון נוסף בין השכבות. את ההבדל בין שני המבנים ניתן לראות בתבניות עקיפת קרני X.
הפיסגה העוצמתית ביותר עבור IPC-2 נמצאת בזווית 2-theta נמוכה יותר מזו של IPC-4, מה שמעיד על כך שיש לו תא יחידה גדול יותר. ניתן להשתמש בטכניקות אחרות, כגון ניסויי ספיחת חנקן, כדי להמחיש את ההבדל בגודל הנקבוביות בין החומרים. ל-IPC-4 יש קיבולת חנקן נמוכה יותר מאשר ל-IPC-2, בעוד שלהזאולית UTL המקורית יש את קיבולת החנקן הגבוהה ביותר.
לאחר השליטה בתהליך, שיטה זו מהווה דרך אמינה וכללית להכנת זאוליטים. וריאציות בפרוטוקול, שניתן למצוא בספרות, עשויות להוביל לזאוליטים אחרים כגון IPC-6, IPC-7, IPC-9 ו-IPC-10. לאחר פיתוחה, סללה טכניקה זו את הדרך עבור חוקרים בתחום הזאוליטים לחקור סינתזה של חומרים שנחשבו בעבר לבלתי אפשריים ליצירה.
עבודה זו פותחת אפשרויות רבות להכנת זאוליטים עם סוגים חדשים של מבנה, אשר אנו מקווים שיפתחו לאחר מכן יישומים חדשים. לאחר צפייה בסרטון זה, תרכשו הבנה טובה של אופן ביצוע תהליך ה-ADOR, ובמעט תרגול, תוכלו לבצע את השינויים המפורטים בספרות הפרסומים כדי להכין גם את כל שאר הזאוליטים האפשריים. היתרונות המרכזיים של טכניקה זו הם שהחומרים הסופיים הם ניתנים לחיזוי באופן ממשי, ושהנקבוביות של המוצק הסופי ניתנות לבקרה באופן שאינו אפשרי בסינתזה מסורתית של זאוליטים.
באופן כללי, אנשים שאינם מכירים שיטה זו יתקשו בהתחלה מכיוון שהיא מנוגדת למחשבה המקובלת. במקום לבנות את החומר מלמטה למעלה, תחילה לוקחים חומר ומפרקים אותו, לפני שבונים אותו מחדש למבנה חדש.
סקירה כללית
מאמר זה מציג פרוטוקול להכנת זאוליות חדשניות באמצעות שיטת ה-ADOR (Assembly-Disassembly-Organization-Reassembly). גישה חדשנית זו מאפשרת יצירת זאוליות עם גדלי נקבים משתנים, ובכך מרחיבה את פוטנציאל יישומיהן בתעשיות שונות.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום המדע
- מדע החומרים
- כימיה
- ננוטכנולוגיה
רקע
- זיאוליטים הם חומרים מכריעים המשמשים ביישומי קטליזה וברפואה.
- שיטת ה-ADOR שונה באופן משמעותי משיטות מסורתיות של סינתזה של זיאוליטים.
- שיטה זו מאפשרת ליצור זיאוליטים בעלי תכונות מותאמות אישית.
- הבנת תהליך הסינתזה עשויה להוביל למבני זיאוליטים ויישומים חדשים.
מטרת המחקר
- להדגמת שיטת ADOR להכנת זאוליט.
- להצגת הסינתזה של שני זאוליטים חדשים, IPC-4 ו-IPC-2.
- להדגשת היתרונות של שיטה זו על פני סינתזה מסורתית.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- הכנה של זאוליט הגרמניום-UTL ההורי.
- פירוק של הזאוליט באמצעות חומצה כלורית.
- הרכבה מחדש למבני זאוליט חדשים IPC-4 ו-IPC-2.
- אפיון של הזאוליטים באמצעות עקיפת קרני רנטגן של אבקה (powder x-ray diffraction).
תוצאות עיקריות
- סינתזה מוצלחת של IPC-4 ו-IPC-2 עם גדלי נקבים שונים.
- הדגמת היכולת לשלוט בנקבוביות באמצעות שיטת ADOR.
- אישור הבדלים מבניים באמצעות תבניות עקיפה של קרני X (x-ray diffraction).
- הצגה של פוטנציאל ליצירת מבני זאוליט אחרים באמצעות וריאציות בשיטה.
מסקנות
- שיטת ADOR היא טכניקה אמינה לסינתזה של זאולית.
- גישה זו מאפשרת השגה של תכונות חומר צפויות ובקרת פנימיות.
- מחקרים עתידיים יוכלו לבחון מבני זאולית ויישומים נוספים.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
מסלול ה-ADOR (הרכבה-פירוק-ארגון-הרכבה מחדש) מאפשר תכנון רציונלי וסינתזה של זאוליות בעלות ארכיטקטורות נקבים חדשניות וניתנות לכיוון, דבר המשפיע ישירות על תהליכי החדשנות של זרזים וחומרי ספיחה. שיטה זו מספקת למחקר בביופארמה R&D עם פלטפורמה ליצירת חומרים בעל סלקטיביות ותכונות שטח מותאמות, התומכת בפיתוח תהליכים ובזרימות עבודה אנליטיות של הדור הבא. היכולת לשלוט בטופולוגיית המסגרת מרחיבה את האפשרויות להפחתת סיכונים מכניסטיים ולביצועים חיזויים של החומר בשלבי הגילוי ובמסגרות פרה-קליניות.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח ביו-פרמצבטיקה&ד'
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- מאפשר חקירה שיטתית של קשרי מבנה-תפקוד בחומרים קטליטיים וסופחים.
- מסייע בהפחתת סיכונים ביולוגיים על ידי מתן שליטה מדויקת בגודל הנקבים ובכימיה של השלד.
- תומך בביטחון חיזוי בבחירת חומרים עבור יישומים ספציפיים למטרה.
סריקה ופיתוח בדיקה
- מספק גישה לזיאוליטים בעלי נקבוביות הניתנת להתאמה אישית לצורך אופטימיזציה של מטריצת הבדיקה.
- מאפשר הכנה הדירה של חומרים לסריקה בספיקה גבוהה (high-throughput screening) של תכונות קטליטיות או תכונות קישור.
- תומך בסטנדרטיזציה של פלטפורמות סופחים וזרזים לצורך הערכה מהימנה של תרכובות.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- מאפשר התאמה של תכונות החומר לדרישות הרלוונטיות למחלה או לדרישות ספציפיות של התהליך.
- מסייע להמשכיות משלב הגילוי ועד לתיקוף פרה-קליני על ידי אפשור זיכוּק חוזר של החומר.
- מפחית את הסיכון לכישלון בשלבים מאוחרים על ידי תמיכה בהבנה מכניסטית של ביצועי החומר.
שילוב תהליכי עבודה וצינור עיבוד
מסלול ה-ADOR מציב את סינתזת הזיאוליט כיכולת מודולרית המקיפה גילוי ראשוני, סריקה ומחקר תרגומי, ובכך מאפשר אופטימיזציה איטרטיבית והסתגלות מהירה לדרישות מחקר משתנות.&צרכי D.
- ביולוגיה של גילוי: תומך בבדיקת היפותזות ובבירור מסלולים באמצעות תכונות חומרים הניתנות לכיוונון.
- סריקה: מספק חומרים מוכנים לבדיקה עם נקבוביות ושטח פנים הניתנים לשחזור ולכימות.
- אנליטיקה: מספק נתונים מבניים ונתוני ספיחה מהימנים באמצעות דיפרקציית קרני X ומדידות ספיחת חנקן.
- מחקר תרגומי: מאפשר התאמה של מאפייני החומר לדרישות הפיתוח הפרה-קליני ופיתוח התהליך.
- שימוש חוזר ברמת הארגון: מקימה פלטפורמה לסנתזה של זאוליטים הניתנת להרחבה ולהתאמה אישית על פני מספר R&תוכניות D.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון בחיזוי ואת תיקוף המטרה על ידי אפשור תכנון מדויק של חומרים.
- ערך תפעולי: משפר את הסטנדרטיזציה, השחזוריות והיכולת להרחבה (scalability) של תהליכי סינתזה של זאולית.
- ערך אסטרטגי: מספק בסיס להחלטות של המשך או הפסקה (go/no-go) ומפחית סיכונים בשלבים מאוחרים באמצעות תכונות חומרים שניתן לשלוט בהן.
- השפעה על הפורטפוליו: תומך בתעדוף מותאם סיכונים ובקידום של תוכניות המבוססות על חומרים.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות בסינתזה אי-אורגנית ובטכניקות לאפיון מצב מוצק.
- מחייב גישה לאוטוקלאבים, כבשנים בטמפרטורה גבוהה ותשתיות אנליטיות כגון עקיפת קרני x ומערכות לספיחת גזים.
- מצריך סטנדרטיזציה בין-צוותית של פרוטוקולי סינתזה ואפיון לצורך הדירות (reproducibility).
- ניתן להתאמה למגוון הרכבי שלד ומבני נקבוביות, כפי שנתמך על ידי וריאציות בספרות.
- מגבלות מעשיות כוללות רגישות להידרוליזה והצורך בבקרה מדויקת של תנאים כימיים.
