Image
Georgios Kalantzopoulos

Georgios Kalantzopoulos har vist at teknikkene de har brukt på lab'en er i stand til å studere kjemiske prosesser på atomnivå. Foto: Eivind Torgersen/UiO

Avslørte hemmeligheten til eksotisk materiale

For å få det til måtte forskerne overvåke posisjonen til hvert enkelt atom og hvordan det beveget seg.

Zeolitter er en gruppe mineraler som det finnes flere titalls varianter av i naturen. Et av dem er alflarsenitt, oppkalt etter hobbygeologen Alf Larsen, som ble oppdaget i nærheten av Larvik så sent som i 2008.

Men det finnes også syntetiske zeolitter, og dem er det enda flere av. Disse fremstilles i laboratorier og for å rendyrke noen av zeolittenes helt spesielle egenskaper.

Både naturlige og syntetiske zeolitter er veldig porøse, det vil si at de har mange små hulrom, noe som har gjort dem svært nyttige på flere områder. Blant annet brukes de i vaskemidler og i petrokjemisk industri.

Fakta

Zeolitter

Zeolitter er vannholdige aluminiumsilikater av natrium eller kalsium, kalium, barium eller strontium.

Zeolitter finnes som mineraler i naturen, men kan også fremstilles syntetisk.

Det som først og fremst skiller zeolitter fra andre mineraler, er at de er mikroporøse, med porer fra 0,3 til 0,8 nanometer.

Kilde: Store norske leksikon

Ifølge Norges geologiske undersøkelser (NGU) har zeolittene en mineralstruktur som ligner et sugerør, med åpne mikroskopiske kanaler. På grunn av strukturen kan zeolitten ta opp både vann og andre stoffer. Det er derfor de egner seg godt til bruk i vaskemidler.

– De har også høy surhetsgrad som betyr at vi kan bruke dem i kjemiske og petrokjemiske prosesser, sier Georgios Kalantzopoulos fra Kjemisk institutt ved Universitetet i Oslo.

Lager byggesteiner til plast

Han har forsket på en gruppe syntetiske zeolitter som blant annet brukes i oljeindustrien. De har ikke like fine navn som de naturlige zeolittene. De kalles bare SAPO for å fortelle at de inneholder grunnstoffene silisium, aluminium, fosfor og oksygen.

Én av disse, sapo-34, har vist seg å være veldig effektiv når metanol skal omdannes til molekyler som brukes som byggesteiner i plastindustrien.

Kalantzopoulos var mer nysgjerrig på varianten som heter sapo-37.

– Sapo-37 ble fremstilt for første gang for omtrent 40 år siden, på begynnelsen av 1980-tallet, sier han til Titan.uio.no.

Også sapo-37 kan brukes i kjemiske prosesser, men er ikke like anvendelig som sapo-34. Kalantzopoulos ville finne ut hvorfor.

– Hvis vi skjønner hvordan vannmolekyler reagerer med katalysatorene, vil vi kunne optimere betingelsene slik at materialene ikke blir så fort ødelagt, sier han.

Ustabilt ved romtemperatur

– Sapo-37 har en egenskap som er litt eksotisk. Det er stabilt på høye temperaturer, men er ustabil når vi har det på romtemperatur rundt 25 grader i vanlig luft, sier Kalantzopoulos.

Når det er ustabilt, kan det gå i oppløsning ganske fort. De mister porøsiteten sin. Det er ikke særlig gunstig hvis man skal bruke det i industrielle prosesser. Andre sapo-materialer oppfører seg ikke slik.

– Sapo-34 blir også ødelagt, men det tar mye lengre tid. Det kan ta dager og uker. Med sapo-37 er det snakk om minutter, sier Kalantzopoulos.

Til venstre ser du et helt tørt sapo-37-molekyl. Til høyre et fuktig et. Hvis du studerer de to tegningene veldig nøye, kan du se noen små, men viktige forskjeller. Illustrasjon: Georgios Kalantzopoulos/ Chem. Mater. 2020, 32, 4, 1495-1505

Sammen med blant annet UiO-kollega David S. Wragg og Bjørnar Arstad fra SINTEF har han klart å studere disse strukturene helt ned på atomnivå.

– Vi kan overvåke posisjonen til hvert enkelt atom og hvordan det beveger seg. Vi kan se alle bindinger som endrer seg, og vi kan se hvilken binding som brytes først, sier Kalantzopoulos.

Dermed kunne de se hvordan vann angriper rammeverket som holder krystallene stabile, og bryter det opp. Noe av arbeidet er gjort ved RECX-laboratoriet ved UiO, men de har også gjort eksperimenter på Det europeiske synkrotronstråleanlegget i Grenoble i Frankrike.

Ved å legge litt ekstra arbeid i illustrasjonene som viser hva som skjer med sapo-37, ble Kalantzopoulos belønnet med forsiden i tidsskriftet Chemistry of Materials.

Åpner nye muligheter

– Hvis vi kunne finne ut hvorfor dette materialet har de spesielle egenskapene sine, så ville vi kunne bruke denne kunnskapen i forbindelse med andre beslektede materialer, sier Kalantzopoulos.

– Jo bedre vi forstår zeolittene, jo mer effektiv bruk kan vi gjøre av dem.

Studien viser også at teknikkene de har brukt, er i stand til å studere kjemiske prosesser på nært hold – i høy oppløsning og med veldig god datakvalitet.

– Dette åpner nye muligheter for forskningen. Senere kan vi prøve ut prosesser som er relevante for industrien og studere dem i sanntid, sier Kalantzopoulos.

Vitenskapelig artikkel:

Kalantzopoulos, Lundvall, Thorshaug, Lind, Vajeeston, Dovgaliuk, Arstad, Wragg og Fjellvåg: Factors Determining Microporous Material Stability in Water: The Curious Case of SAPO-37. Chemistry of Materials, januar 2020.