Lange alkanen dringen niet zo ver door in zeolietkanaaltjes

Zonder zeolieten zou de petrochemische industrie uit aardolie nooit zoveel benzine kunnen maken als ze nu doet. Zeolieten zijn anorganische polymeren - verbindingen van silicium, aluminium en zuurstof - die uitgebreide driedimensionale netwerken met porien vormen. Ze worden gebruikt als drager voor katalysatoren maar kunnen ook zelf reacties versnellen. De grootte van de holtes is bij de produktie te regelen. Dit is handig omdat ze meestal worden gebruikt om een molecuul van een gewenste grootte in de holtes te laten binnendringen en een reactie te laten ondergaan.

Proceschemici willen graag weten wat er binnen die kanaaltjes van enkele Angstrom diameter gebeurt. Een grote vraag is waardoor een verdelingsevenwicht tussen twee soorten moleculen zich instelt. Bij een reactie in een zeoliet die een lang molecuul in twee kortere knipt is het bijvoorbeeld van belang dat het lange molecuul veel beter wordt opgenomen dan het kortere.

De werkelijkheid achterhalen is zeer moeilijk, maar Berend Smit van Shell Research in Amsterdam en Ilja Siepmann van de University of Pennsylvania verkregen met een computersimulatie gedetailleerde informatie die het werkelijke gedrag redelijk voorspelt (Science, 20 mei).

Zij gebruikten de Monte Carlo methode, een rekenmethode die de beweging van atomen in moleculen, en de beweging van moleculen ten opzichte van elkaar berekent. De Monte Carlo methode is ontwikkeld in de Tweede Wereldoorlog, om de gebeurtenissen in het hart van de atoombom te voorspellen. De methode is later verdrongen door de moleculaire dynamica, maar Smit en Siepmann gebruikten dit onderzoek om de waarde van de oude techniek te bewijzen. Een krachtig work station (een op rekenen ingestelde zware minicomputer) stond 20 uur te rekenen aan een computerklus waar een supercomputer met de moleculaire dynamicamethode twee weken voor had moeten draaien.

Smit en Siepmann berekenden hoe lineaire alkanen van vier (n-butaan) tot tien (n-dodecaan) koolstofatomen lengte zich in het netwerk zeolietenholten verdelen. De gebruikte zeoliet was er een met brede toegangskanaaltjes, iets smallere dwarsverbindingen die plaatachtige structuren vormen en tussenverbindingen tussen de platen.

De korte alkanen komen goed de bocht om, zo blijkt. n-Butaan verblijft voor 50% in de dwarsverbindingen en voor 42% in de rechte kanalen. Het soepele maar tweeeneenhalf keer langere n-dodecaan verblijft voor 77% in de rechte kanalen en voor 20% in de dwarsverbindingen.