Første øjebliksbilleder af fangede CO2 -molekyler kaster nyt lys over kulstofopsamling

Forskere fra Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory og Stanford University har taget de første billeder af kuldioxidmolekyler i et molekylærbur - en del af en meget porøs nanopartikel kendt som en MOF, eller metal-organiske rammer, med stort potentiale for adskillelse og lagring af gasser og væsker.

Billederne, lavet på Stanford-SLAC Cryo-EM-faciliteterne, vise to konfigurationer af CO2 -molekylet i dets bur, i hvad forskere kalder et gæst-vært-forhold; afsløre, at buret udvider sig lidt, når CO2 kommer ind; og zoome ind på takkede kanter, hvor MOF -partikler kan vokse ved at tilføje flere bure.

"Dette er en banebrydende præstation, der helt sikkert vil bringe en hidtil uset indsigt i, hvordan disse meget porøse strukturer udfører deres enestående funktioner, og det viser kraften i cryo-EM til at løse et særligt vanskeligt problem inden for MOF-kemi, "sagde Omar Yaghi, professor ved University of California, Berkeley og en pioner inden for dette område af kemi, der ikke var involveret i undersøgelsen.

Forskergruppen, ledet af SLAC/Stanford -professorer Yi Cui og Wah Chiu, beskrev undersøgelsen i dag i tidsskriftet Stof .

Små pletter med enorme overflader

MOF'er har de største overfladearealer af noget kendt materiale. Et enkelt gram, eller tre hundrededele af en ounce, kan have et areal, der er næsten på størrelse med to fodboldbaner, giver masser af plads til gæstemolekyler at komme ind i millioner af værtsbure.

På trods af deres enorme kommercielle potentiale og to årtiers intensitet, fremskynde forskning, MOF'er er lige nu begyndt at nå markedet. Forskere over hele verden konstruerer mere end 6, 000 nye typer MOF -partikler om året, leder efter de rigtige kombinationer af struktur og kemi til bestemte opgaver, såsom forøgelse af lagerkapaciteten i gastanke eller indfangning og begravelse af CO2 fra røgstokke for at bekæmpe klimaændringer.

"Ifølge det mellemstatslige panel om klimaændringer, begrænsning af globale temperaturstigninger til 1,5 grader Celsius vil kræve en eller anden form for kulstofopsamlingsteknologi, "sagde Yuzhang Li, en postfordoktor i Stanford og hovedforfatter af rapporten. "Disse materialer har potentiale til at fange store mængder CO2, og at forstå, hvor CO2 er bundet inde i disse porøse rammer, er virkelig vigtig i designet af materialer, der gør det billigere og mere effektivt. "

En af de mest effektive metoder til at observere materialer er transmissionselektronmikroskopi, eller TEM, som kan lave billeder i atom-for-atom detaljer. Men mange MOF'er, og de bindinger, der holder gæstemolekyler inde i dem, smelter til klatter, når de udsættes for de intense elektronstråler, der er nødvendige for denne type billeddannelse.

Et par år siden, Cui og Li vedtog en metode, der har været brugt i mange år til at studere biologiske prøver:Frys prøver, så de holder bedre under elektronbombardement. De brugte et avanceret TEM-instrument på Stanford Nano Shared Facilities til at undersøge flashfrosne prøver indeholdende dendritter-fingerlignende vækster af lithiummetal, der kan gennembore og beskadige lithiumionbatterier-i atomiske detaljer for første gang.

Atomiske billeder, en elektron ad gangen

For denne seneste undersøgelse, Cui og Li brugte instrumenter på Stanford-SLAC Cryo-EM-faciliteterne, som har meget mere følsomme detektorer, der kan opfange signaler fra individuelle elektroner, der passerer gennem en prøve. Dette gjorde det muligt for forskerne at lave billeder i atomiske detaljer, samtidig med at elektronstråleeksponeringen blev minimeret.

MOF, de studerede, kaldes ZIF-8. Det kom i partikler på bare 100 milliarder af en meter i diameter; du skal linke omkring 900 af dem op for at matche bredden på et menneskehår. "Det har et stort kommercielt potentiale, fordi det er meget billigt og let at syntetisere, "sagde Stanford postdoktorforsker Kecheng Wang, der spillede en central rolle i eksperimenterne. "Det bruges allerede til at fange og opbevare giftige gasser."

Cryo-EM lader dem ikke kun lave supers skarpe billeder med minimal skade på partiklerne, men det forhindrede også CO2 -gassen i at slippe ud, mens billedet blev taget. Ved at afprøve prøven fra to vinkler, efterforskerne var i stand til at bekræfte positionerne på to af de fire steder, hvor CO2 menes at blive svagt holdt på plads inde i buret.

"Jeg var virkelig begejstret, da jeg så billederne. Det er et genialt stykke arbejde, "sagde Stanford -professor Robert Sinclair, en ekspert i at bruge TEM til at studere materialer, der hjalp med at fortolke teamets resultater. "At tage billeder af gasmolekylerne inde i MOF'erne er et utroligt skridt fremad."