合成可能なゼオライト/ゼオライト界面を理論計算で予測~1兆通り以上の結晶構造パズルから狙った界面構造を合成~

2025-10-20 東京大学

東京大学大学院工学系研究科の研究チームは、ゼオライト同士の界面構造を理論計算から設計し、合成可能な界面を予測する新手法を開発した。ゼオライトはナノ細孔を持つ結晶材料で、触媒や吸着材として重要だが、異なる結晶同士の接合(界面)を自在に設計することは困難だった。本研究では、1兆通りを超える可能な結晶面の組み合わせを高速スクリーニングし、安定に形成できる界面候補を特定。さらに第一原理計算により電子構造やエネルギー準位を解析し、実際に合成可能な界面を選別した。これにより、目的に応じた多機能ゼオライト複合体の設計指針が得られ、触媒反応や分離材料の高性能化につながると期待される。成果は『Nature Communications』誌に掲載。

合成可能なゼオライト/ゼオライト界面を理論計算で予測~1兆通り以上の結晶構造パズルから狙った界面構造を合成~
ゼオライト/ゼオライト界面モデルを構築するワークフローの概念図

<関連情報>

合成検証を伴うハイスループット計算スクリーニングを用いて、実現可能なゼオライト相互成長と実現不可能なゼオライト相互成長の境界を描く Drawing boundaries between feasible and unfeasible zeolite intergrowths using high-throughput computational screening with synthesis validation

Kota Oishi,Koki Muraoka,Satoko Toyama,Takeshi Iwata,Takehito Seki,Naoya Shibata,Kenta Iyoki,Toru Wakihara,Tatsuya Okubo & Akira Nakayama
Nature  Materials  Published:20 October 2025
DOI:https://doi.org/10.1038/s41563-025-02377-6

Abstract

Zeolites are a class of porous crystalline silicate-based materials with applications such as catalysis and separation. Zeolite intergrowths can have superior performance compared with conventional single-phase zeolites in these applications. This study develops a computational workflow to evaluate ~1.03 trillion atomistic structures to identify promising zeolite intergrowths through geometrical analysis and atomistic simulations. We find that interfacial energy is an excellent descriptor to distinguish hydrothermally synthesized zeolite intergrowths from the others, showing almost-perfect classification performance (area under the curve of 0.995). Computational screening workflow saves 100% of hydrothermally synthesized zeolite pairs and successfully rejects 99.3% of hypothetical pairs. Network analyses reveal that hypothetical pairs comparable to experimentally proven ones show substantial topological and chemical similarities, although such information is not directly used in the screening workflow. One of the hypothetical candidates that passed the criteria is experimentally realized by direct and seed-assisted hydrothermal syntheses, thereby broadening the applicable scope of zeolite intergrowths to zincosilicates with three and nine rings.

0501セラミックス及び無機化学製品
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