Znanstvenice i znanstvenici s Instituta Ruđer Bošković, u suradnji s kolegama s Nacionalnog instituta za kemiju u Ljubljani, pokazali su da zeoliti mogu provoditi ionski, odnosno protonski naboj znatno učinkovitije u određenim uvjetima.

Riječ je o poroznim kristalnim materijalima čija je unutrašnjost ispresijecana sitnim kanalima i šupljinama. Presudnu ulogu u tom procesu ima voda jer kada se molekule vode nalaze u strukturi zeolita i na njegovoj površini, kroz materijal se lakše kreću protoni, odnosno sitne pozitivno nabijene čestice. U određenim uvjetima vlaga je povećala protonsku vodljivost zeolita za gotovo četiri reda veličine, odnosno više od 9 000 puta.

Ovi rezultati istraživanja su važni jer pokazuju da se zeoliti, materijali koji su dostupni, stabilni i ekološki prihvatljivi, ne moraju promatrati samo kao “molekularne spužve” za hvatanje i odvajanje molekula. Njihova se svojstva mogu namjerno mijenjati, primjerice veličinom čestica i kontrolom vlažnosti, što ih čini zanimljivima za buduće održive tehnologije u kojima je važno upravljati prijenosom iona i protona.

„Pokazali smo da zeoliti nisu samo pasivni porozni materijali, nego materijali čija se svojstva mogu precizno podešavati. Posebno je zanimljivo to što voda, koju često doživljavamo kao nečistoću ili smetnju u materijalu, ovdje ima ključnu ulogu u prijenosu naboja. Time se otvara prostor za nova istraživanja zeolita kao funkcionalnih materijala za održive tehnologije”, ističe dr. sc. Glorija Medak Spahić, prva i dopisna autorica na radu s Instituta Ruđer Bošković.

Zeoliti su materijali koje znanstvenici često opisuju kao sićušne kristalne spužve. U njihovoj unutrašnjosti nalaze se pravilno raspoređeni kanali i šupljine kroz koje mogu prolaziti molekule i ioni. Zbog toga se već desetljećima koriste u katalizi, pročišćavanju, izmjeni iona, adsorpciji i odvajanju plinova. Ipak, njihova slaba vodljivost dosad je ograničavala šire razmatranje zeolita za primjene u naprednim uređajima.

U novom radu istraživački tim proučavao je dvije vrste zeolita iz skupine faujazita. Riječ je o poroznom kristalnom materijalu čija je unutrašnjost građena poput pravilne mreže sićušnih kanala i šupljina. Znanstvenici su usporedili dva uzorka istog tipa materijala, jedan sastavljen od vrlo sitnih, nanometarskih čestica, i drugi od većih, mikrometarskih čestica. Takva usporedba omogućila im je da jasno pokažu kako veličina čestica i količina vode u materijalu utječu na prijenos naboja.

Rezultati su pokazali da u takozvanim suhim uvjetima, kada je uklonjena voda s površine čestica, ali je dio vode i dalje ostao vezan u unutrašnjoj strukturi zeolita, veće čestice bolje su prenosile naboj. To se događa jer njihovi unutarnji kanali omogućuju učinkovitije kretanje protona. No pri visokoj vlažnosti sve važniju ulogu preuzima voda adsorbirana na površini čestica i među njima. Taj je učinak posebno izražen kod nanometarskih čestica, koje mogu vezati više površinske vode

”Razlog je u tome što u većim kristalima postoje povezaniji unutarnji kanali kroz koje se protoni mogu učinkovitije kretati. No pri visokoj vlažnosti slika se mijenja. Tada važnu ulogu počinje imati voda koja se veže na površini čestica i između njih. Kod nanometarskih čestica, koje imaju veću površinu i više mjesta na kojima se voda može vezati, taj učinak postaje posebno izražen.

„Ovo istraživanje pokazuje koliko je važno razlikovati vodu koja se nalazi u unutrašnjim kanalima zeolita od vode koja se nalazi na njegovoj površini. Te dvije vrste vode ne utječu jednako na prijenos naboja. Upravo razumijevanje te razlike omogućuje nam da bolje predvidimo i usmjerimo ponašanje materijala”, objašnjava dr. sc. Lidija Androš Dubraja, dopisna autorica rada s Instituta Ruđer Bošković.

Kako bi dobili cjelovitu sliku o ponašanju zeolita, znanstvenici su kombinirali više metoda. Analizirali su kristalnu strukturu, veličinu i oblik čestica, poroznost, toplinska svojstva, prisutnost vode i električna svojstva materijala. Takav pristup omogućio im je da povežu građu materijala s njegovim ponašanjem u različitim uvjetima vlage i temperature.

Istraživanje je pokazalo da uklanjanje površinske vode može smanjiti vodljivost za najmanje tri reda veličine, što znači da voda na površini zeolita snažno olakšava prijenos naboja. Istodobno, voda koja se nalazi dublje u strukturi zeolita može imati drugačiju ulogu, jer utječe na raspored iona u kristalnoj mreži i na brzinu njihova kretanja.

„Najveći doprinos rada je u tome što smo pokazali da se prijenos protona u zeolitima može regulirati mikrostrukturom materijala i količinom vode. To je temeljno znanje, ali upravo takva istraživanja stvaraju osnovu za razvoj novih materijala s ciljanim svojstvima”, dodaje dr. sc. Glorija Medak Spahić.

Rad je objavljen u uglednom znanstvenom časopisu Journal of Materials Chemistry A, koji objavljuje istraživanja iz područja materijala za energiju i održivost. Autori rada, uz dr. sc. Gloriju Medak Spahić i dr. sc. Lidiju Androš Dubraja, su i dr. sc. Marko Dunatov, dr. sc. Josip Bronić, dr. sc. Andreas Puškarić  iz Laboratorija za sintezu novih materijala Zavoda za kemiju materijala Instituta Ruđer Bošković, te dr. sc. Jan Marčec s Nacionalnog instituta za kemiju u Ljubljani.

Iako je riječ o temeljnom istraživanju, rezultati pokazuju da dobro poznati materijali mogu skrivati nova i tehnološki važna svojstva. Zeoliti bi se u budućnosti mogli koristiti u razvoju održivih funkcionalnih materijala, senzora i drugih sustava u kojima je važno precizno upravljati prijenosom protona.

Napomena o financiranju: Istraživanje je financijski poduprto u sklopu Programskih Ugovora MZO-a s Institutom Ruđer Bošković MZ-2025, projekt MZ3-25, u okviru Nacionalnog plana oporavka i otpornosti 2021. – 2026., financiranog sredstvima Europske unije kroz program NextGenerationEU. Jan Marčec zahvaljuje na financijskoj potpori Slovenske agencije za istraživanje i inovacije kroz istraživački program Nanoporous Materials, P1-0021.