| [미국] 제올라이트 성장 프로세스에 대한 최초의 결정적인 증거
미국 연구진은 silicalite-1(MFI 유형) 제올라이트(zeolite)가 어떻게 성장하는지에 대한 최초의 결정적인 증거를 발견했다. 이 제올라이트의 성장은 나노입자의 부착과 분자들의 첨가로 인한 복합적인 프로세스로 진행된다. 두 개의 프로세스(나노입자의 부착, 분자들의 첨가)는 동시에 발생한다고 휴스턴 대학(University of Houston)의 연구진은 말했다. 이 연구결과는 저널 Science에 게재되었다.
이번 연구진은 이 연구의 두 번째 구성요소(분자들의 첨가)가 더 지속적인 영향을 끼칠 수 있다고 말했다. 이번 연구진은 제올라이트 표면 성장을 실시간으로 관찰하는데 성공했다. 이 연구결과는 다른 종류의 재료에도 적용될 수 있다. 일반적으로, 과학자들은 천연 합성 환경에서 결정을 제거하고 물리적 특성의 변화들을 분석함으로써 제올라이트 성장을 조사했다. 이것은 제올라이트 성장의 기본적인 메커니즘 이해를 어렵게 한다.
제올라이트는 자연적으로 발생하지만 제조될 수도 있다. 제올라이트 성장을 조사하기 위한 프로토타입으로서 silicate-1(알루미늄이 없는 합성 제올라이트)이 존재한다. 지난 20년 이상 동안에, 과학자들은 제올라이트 성장 용액 속에 존재하는 것으로 알려져 있는 이런 나노입자들에 대한 이론을 구현했는데, 이것은 성장에 중요한 역할을 하지만 직접적인 증거가 될 수 없었다. 그러나 대부분의 결정들은 고전적인 수단을 통해서 성장되지만, 결정에 원자 또는 분자의 추가, 나노입자의 존재와 점차적인 소모는 제올라이트 결정화에 비고전적인 경로를 제공했다.
이번 연구진은 고전적인 및 비고전적인 성장 모델이 동시에 작용할 수 있다는 것을 발견했다. 이번 연구진은 일련의 복합적인 동역학이 발생할 수 있다는 것을 증명했다. 이런 과정을 통해서, 이번 연구진은 성장 메커니즘에서 다중 경로가 존재할 수 있다는 것을 밝혀내었고, 이로 인해서 지난 25년 동안 논쟁이 되었던 문제를 해결할 수 있었다.
이것은 결정 공학의 신비를 해결했지만, 그들이 더 지속적인 영향을 끼칠 수 있는지는 아직 미지수이다. 이번 연구진은 silicalite-1 표면의 형상적 이미지를 기록하기 위해서 시간 분해성 원자힘 현미경을 사용했다. 원자힘 현미경은 결정 표면에 대한 분자 해상도의 3차원 이미지를 제공했다. 이번 연구진은 성장 과정을 실시간으로 조사할 수 있었다. 이 연구는 섭씨 100 ℃의 온도에서 작동했지만, 계측 장치는 300℃의 온도에서도 작동할 수 있는데, 이것은 용매열로 성장하는 수많은 재료에 사용될 수 있을 것이다. 이 연구결과는 저널 Science에 “In Situ Imaging of Silicalite-1 Surface Growth Reveals the Mechanism of Crystallization”이라는 제목으로 게재되었다.
그림. 원자힘 현미경에 부착된 고온 액체 셀(cell)의 이미지. 이 셀은 액체 주입을 위한 장치와 온도를 조절할 수 있는 가열 장치를 탑재하고 있다.
[출처 : KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2014년 5월 20일]
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Researchers find definitive evidence of how zeolites grow
Researchers have found the first definitive evidence of how silicalite-1 (MFI type) zeolites grow, showing that growth is a concerted process involving both the attachment of nanoparticles and the addition of molecules.
Both processes appear to happen simultaneously, said Jeffrey Rimer, an engineering professor at the University of Houston and lead author of a paper published Thursday in the journal Science ("In Situ Imaging of Silicalite-1 Surface Growth Reveals the Mechanism of Crystallization").
He said a second component to the research could have even more lasting impact. He and researcher Alexandra I. Lupulescu used a new technique allowing them to view zeolite surface growth in real time, a breakthrough Rimer said can be applied to other types of materials, as well.
Typically, researchers examine zeolite growth by removing crystals from the natural synthesis environment and analyzing changes in their physical properties, said Rimer, Ernest J. and Barbara M. Henley Assistant Professor of Chemical and Biomolecular Engineering at UH. That has made understanding the fundamental mechanism of zeolite growth more challenging.
Zeolites occur naturally but can also be manufactured. This research involved silicalite-1, a synthetic, aluminum-free zeolite that has served as a prototype in literature for studying zeolite growth.
For more than two decades, researchers have theorized that nanoparticles, which are known to be present in zeolite growth solutions, played a role in the growth, but there was no direct evidence. And while most crystals grow through classical means – the addition of atoms or molecules to the crystal – the presence and gradual consumption of nanoparticles suggested a nonclassical pathway for zeolite crystallization.
Rimer and Lupulescu found that both classical and nonclassical growth models were at work.
"We have shown that a complex set of dynamics takes place," Rimer said. "In doing so, we have revealed that there are multiple pathways in the growth mechanism, which solves a problem that has been debated for nearly 25 years."
It solves a mystery in the world of crystal engineering, but how they did it may have a more lasting impact. Rimer and Lupulescu, who did the project as part of her dissertation, earning her Ph.D. in chemical engineering from UH's Cullen College of Engineering in December, worked with California-based Asylum Research. They used time-resolved Atomic Force Microscopy (AFM) to record topographical images of silicalite-1 surfaces as they grew.
AFM provides near molecular-resolution 3-D images of the crystal surface. Rimer said the technology, along with software developed by Asylum Research and his lab, made it possible to study the growth in situ, or in place. While his lab works at temperatures up to 100 degrees Celsius, the instrumentation can handle temperatures as high as 300 C, making it possible to use it for a number of materials that grow in solvothermal conditions, he said.
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