Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics)
Číslo 45 – vyšlo 8. listopadu, ročník 2 (2004)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Zeolit – materiál, který s tlakem zvětšuje objem

Jiří Vašátko

V roce 2001 byl v Brookhavenské národní laboratoři v USA učiněn pokus, který ze začátku trochu zmátl tzv. selský rozum. Pod vlivem tlaku se většina materiálů stává kompaktnějšími, zmenšuje se jejich objem a vzrůstá hustota. Nicméně se ke všeobecnému překvapení stalo to, co nikdo nečekal. Našel se materiál, který v určitém tlakovém rozmezí svůj objem zvětšil. Vzápětí se ukázalo zajímavé uplatnění pro tento materiál – může sloužit jako past pro chemické a radioaktivní znečištění. V roce 2003 byl nalezen materiál s nevratným (irreverzibilním) chováním, jehož zvětšený objem přetrvává, i když tlak již nepůsobí. Předpokládá se, že by mohl být v brzké době využit k likvidaci radioaktivního tritia.

Zeolity – mikropórovité materiály s přesně stanovenou strukturou obsahující křemíkové či hliníkové atomy, které jsou obklopené čtyřstěnem z atomů kyslíku. Mnoho z nich se přirozeně vyskytuje v přírodě jako minerály a jsou hojně těžené v mnoha částech světa. Dnes známe 130 různých struktur zeolitů.

Natrolit – nejznámější zeolit, přírodní průhledný minerál, hydratovaný hlinitokřemičitan sodný s chemickým vzorcem Na₂Al₂Si₃O₁₀-2H₂O. Používá se jako chemický filtr.

Natrolit

RTG prášková difraktometrie – zjišťování struktury látky z ohybového obrazce způsobeného ohybem RTG záření na vzorku z prášku. Pro prášek je typický překryv ohybových obrazců od jednotlivých krystalů a proto musí být pro určení struktury použity specializované numerické metody.

Diamantová kovadlina – zařízení, ve kterém je vzorek vystaven vysokému tlaku mezi dvěma diamantovými nástavci. Rovnoměrného rozložení tlaku na vzorek je dosaženo vyplněním prostoru kapalinou, například vodou.

BNL (Brookhaven National Laboratory) – Brookhavenská národní laboratoř, jedna z deseti národních laboratoří USA založená Americkým ministerstvem energetiky (DOE – U.S. Department of Energy). Její výzkum je orientován na fyziku, biomedicínu, životní prostředí a energetiku. Laboratoř je umístěna na ostrově Long Island ve státě New York.

NSLS (National Synchrotron Light Source) – synchrotron v Brookhavenské národní laboratoři s dvěma prstenci. Urychlené elektrony produkují v jednom prstenci RTG záření a ve druhém UV záření. Ohyb záření na atomech vzorků se využívá k určení prostorového upořádání atomů v látce.

Zeolity

Hodně materiálů působením tlaku zmenšuje svůj objem nebo se rozpadá. Nedávno však byly nalezeny materiály, které se chovají přesně opačně. Jde o tak zvané „molekulární houby“ se schopností absorbovat ve zvýšené míře do své struktury kapaliny a plyny. Fyzik Thomas Vogt z Brookhavenské národní laboratoře přišel na to, že vmáčknete-li tekutinu do malých průduchů odpovídajících velikosti molekul, materiál po absorbování látky zvětší svůj objem. Takovými materiály jsou některé zeolity skládající se z atomů hliníku, křemíku a kyslíku uspořádaných do třírozměrné kostry s pravidelně rozloženými průduchy uvnitř molekulární struktury. Tyto nanopóry (jejich velikost se pohybuje okolo 10⁻⁹ m) umožňují zeolitům nasávat malé molekuly, ionty nebo plyny stejným způsobem, jako houba v koupelně nasává vodu. Póry jsou normálně vyplněny vodními molekulami a kladnými ionty, například vápníku či sodíku. Takže o zeolitech můžeme říci, že jsou neustále hydratované. Hodně těchto materiálů má práškovou konzistenci a používají se jako změkčovače vody v bezfosfátových saponátech.

Struktura zeolitu

Čtyřhran zeolitu – atom křemíku na němž jsou navázány kyslíky. Atomy kyslíku tvoří molekulární mosty a spojují elementární čtyřstěny do složitějších útvarů. Zdroj: Brookhaven National Laboratory.

Zeolity se dají využít i k odstraňování některých nežádoucích, škodlivých látek. Vstupující tekutina mírně zvětší rozestupy mezi molekulami zeolitu (tzv. póry) a umožní tak vstup látek, které chceme odstranit (jejich molekulová struktura je větší). To vše se děje během vzrůstání tlaku z 0,40 na 1,5 GPa. Díky tomuto mechanizmu můžeme dostat větší ionty (molekuly) tam, kam bychom je normálně nedostali, Když pak tlak snížíme, tekutina opustí prostor materiálu, ale větší molekuly znečištění, například uhlovodíky, rtuť, olovo či radioaktivní stroncium, zůstanou uzavřeny uvnitř.

Schématické znázornění zeolitu bez tlaku a pod tlakem. Čtyřboké tvary reprezentují hliníko-křemíko-kyslíkovou kostru, tmavé tečky představují sodíkové ionty a větší kolečka jsou molekuly vody. Do zeolitu lze průduchy protlačit větší množství vody. Tomuto ději se říká superhydratace. Zdroj: Brookhaven National Laboratory.

Superhydratace a nevratná superhydratace

Do zeolitů lze pod zvýšeným tlakem průduchy protlačit větší množství vody než by absorboval přirozenou cestou. Tomuto ději se říká superhydratace. Předchozí výzkum naznačoval zvláštní chování zeolitů pod tlakem. Mezi nimi se však objevil vzorek, který mohl vsát až dvojnásobné množství vody než za normálního tlaku. Struktura zeolitů se zkoumala pomocí metody, která se nazývá prášková difraktometrie. Z ohybového obrazce získaného ozářením vzorku RTG paprskem se dá určit přesné vnitřní uspořádání atomů a molekul. Jako zdroj záření posloužil synchrotron NSLS v Brookhavenské národní laboratoři. Tento výzkum vysvětlil chování zeolitů za vysokých tlaků včetně toho, kam se „ztrácí voda“. Veškeré experimenty jsou prováděny pod zvýšeným tlakem v diamantové kovadlinové komoře. Diamantová kovadlina

Diamantová komora – síla na dva diamantové nástavce je přenášena prostřednictvím kapaliny na vzorek. RTG svazek slouží k práškové difraktometrii. Zdroj: Argonne National Laboratory.

Zkušební vzorek se umístnil mezi dva diamanty, prostor okolo byl vyplněný vodou, aby tlak působil rovnoměrně ze všech stran. Tento prostor se bombarduje rentgenovým svazkem a pomocí počítače, který vyhodnotí ohybový obrazec, se zobrazí 3D obraz molekulární struktury. Na začátku komprese se zeolit stlačí, ale jakmile tlak vzroste na 0,87÷1,5 GPa, zeolit expanduje podél dvou ze svých os. Když tlak stoupne na více než 1,5 GPa, zeolit se stlačí ještě jednou. Analýza molekulární struktury ukázala, že během expanze byly vmáčknuty molekuly vody do pórů zeolitu. Vědci navrhli několik způsobů využití neobvyklé schopnosti zeolitů, tzv. indukované expanze. Vyskytuje se jen u určitých typů zeolitů, například natrolitů Na-AlSi-NAT, K-GaSi-NAT. V roce 2003 byly nalezeny zeolity, u nichž je superhydratace nevratná. I po odeznění tlaku zůstává kapalina součástí struktury zeolitu a neodteče ven. Právě tyto látky mohou sloužit v budoucnosti jako pasti pro chemické či radioaktivní znečištění, například supertěžkou vodu obsahující radioaktivní tritium. Zdá se, že tyto molekulární houby mohou být pro lidstvo v blízké budoucnosti velmi užitečné.

a) Na-AlSi-NAT bez indukované hydratace, tlak 0,40 GPa
b) Na-AlSi-NAT s indukovanou hydratací, tlak 1,51 GPa
c) K-GaSi-NAT bez indukované hydratace, tlak 0,40 GPa
d) K-GaSi-NAT s indukovanou hydratací, tlak 1,9 GPa.

Skupiny OW1, OW2, OW3 představují navázanou vodu, skupiny K1, K1A, K1B, K1C jsou draselné ionty. Zdroj: Thomas Vogt, Brookhaven National Laboratory.

Odkazy