ゼオライト結晶化の「最初の一歩」を可視化 原子の「ねじれ」の秩序化が結晶化に先行する新原理を発見-触媒・分離材料の開発を、経験則から予測設計へー

2026-05-20 東北大学

東北大学の研究グループは、ゼオライト結晶化の初期段階において、結晶が形成される前にシリケート骨格の三次元的な「ねじれ」が秩序化することを、X線発光分光(XES)により初めて直接観測した。ゼオライトは触媒や分離膜として重要な多孔質材料だが、無秩序な前駆体から結晶へ至る過程は未解明だった。研究ではMWW型ゼオライトの結晶化過程を解析し、O-Si-O-Si結合のねじれ角が段階的に整列する現象が、X線回折で検出される長距離秩序の形成や鉄導入に先行して起こることを明らかにした。これは、結晶化に先立ち原子ネットワークの局所的トポロジーが整うという「トポロジー・ファースト」という新たな結晶化原理を示す成果である。従来は経験則に頼っていたゼオライト合成を、形成過程を可視化しながら予測的に最適化する材料設計へ発展させる基盤技術となることが期待される。成果は『Journal of the American Chemical Society』に掲載された。

ゼオライト結晶化の「最初の一歩」を可視化 原子の「ねじれ」の秩序化が結晶化に先行する新原理を発見-触媒・分離材料の開発を、経験則から予測設計へー
図1 X線発光分光で捉えた結晶化前の原子ネットワーク変化 ゼオライトが結晶になる前に、原子ネットワークの「ねじれ」が先に整い始めることを、X線発光分光によって捉えた。実験スペクトルと理論計算の比較から、結晶化初期にはシリケート骨格の三次元的な配列が変化していることがわかった。

<関連情報>

X線発光分光法により明らかになった、ゼオライト結晶化の前提条件としてのねじれ秩序化 Torsional Ordering as a Prerequisite for Zeolite Crystallization Revealed by X-ray Emission Spectroscopy

Kakeru Ninomiya,Ralph Ugalino,Koki Itamoto,Zhong Yin,Hisao Kiuchi,Yoshihisa Harada,Hideyuki Magara,Kenji Tsuda,Masami Terauchi,Toshiyuki Yokoi,and Maiko Nishibori
Journal of the American Chemical Society  Published: May 19, 2026
DOI:https://doi.org/10.1021/jacs.6c03877

Abstract

Understanding how ordered crystals emerge from disordered precursors is a grand challenge in materials science. Resolving this question is critical for tailoring the properties of network materials, particularly zeolitic silicates, which are indispensable in energy and environmental catalysis. This challenge has been particularly acute as the key three-dimensional (3D) ordering of the silicate network has remained experimentally inaccessible. However, detailed knowledge of crystallization would enable tailoring of key properties for improved applications. Here, we provide direct observation of this process using O 1s X-ray emission spectroscopy (XES) as a spectroscopic ruler for the 3D network geometry. Supported by ab initio simulations, our results reveal the systematic evolution of the O–Si–O–Si torsion angles during the crystallization of an MWW-type zeolite. We discovered that the progressive ordering of these angles into a staggered conformation is a decisive early-stage event that precedes the formation of the crystalline framework. This work establishes O 1s XES as a powerful tool for probing local network topology, enabling quantitative access to key geometric parameters of 3D silicate networks, including bond distances, bond angles, and torsion angles. This reveals a fundamental principle: topological ordering is a distinct, precursorial event that occurs prior to the emergence of long-range crystalline order. This “topology-first” insight fundamentally advances the rational design of zeolites and other complex network materials with atomic-level precision.

0501セラミックス及び無機化学製品
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