Atomisk skala billeddannelse afslører hemmeligheden bag tynd filmstyrke

Et internationalt hold af forskere og ingeniører, ledet af University of Minnesota lektor K. Andre Mkhoyan og professor emeritus Michael Tsapatsis (i øjeblikket, en Bloomberg Distinguished Professor ved Johns Hopkins University), har gjort en opdagelse, der yderligere kunne fremme brugen af ​​ultratynde zeolit ​​nanoplader, som bruges som specialiserede molekylære filtre. Opdagelsen kan forbedre effektiviteten i produktionen af ​​benzin, plast, og biobrændstoffer.

Den banebrydende opdagelse af endimensionelle defekter i en todimensionel struktur af porøst materiale (en zeolit ​​kaldet MFI) blev opnået ved hjælp af en kraftig højopløsningstransmissionselektronmikroskopi (TEM) på University of Minnesota Twin Cities campus. Ved at afbilde den atomare struktur af MFI-nanoarkene med hidtil usete detaljer, forskerne fandt ud af, at disse endimensionelle defekter resulterede i en unik forstærket nanoarkstruktur, der ændrede nanoarkets filtreringsegenskaber dramatisk.

Resultaterne er offentliggjort i Naturmaterialer .

"TEM-billeddannelse af tynde zeolitkrystal på atomskala har været en langvarig udfordring, da disse krystaller let beskadiges under højenergielektronerne, som er nødvendige for billeddannelse på atomare skala, " sagde Mkhoyan, en ekspert i avanceret TEM og Ray D. og Mary T. Johnson/Mayon Plastics Chair i afdelingen for kemiteknik og materialevidenskab ved University of Minnesotas College of Science and Engineering. "Det kræver en dyb forståelse af mekanismerne for stråleskader for zeolitkrystaller og doserne af elektronstråle, som zeolitten kan tage. Dette arbejde skubbede grænserne for vores elektronmikroskoper, hvor vi pålideligt kan producere atomopløsningsbilleder af sådanne ekstremt tynde (kun 3 nanometer tykke) zeolit-nanoark med identificerbare endimensionelle sammenvækster."

De minimale forskelle mellem de to materialer (se vedlagte billede) blev opdaget af Prashant Kumar, en kandidat fra University of Minnesota Twin Cities College of Science and Engineering, efter næsten fem års forskning.

"Jeg har været fascineret af de smukke symmetriske mønstre i MFI krystal gennem hele mit ph.d.-arbejde, "sagde Kumar, en hovedforfatter af undersøgelsen. "Efter at have stirret på støjende billeder i TEM i utallige timer, Jeg så endelig symmetrien bryde i TEM-billederne af MFI-nanoark - jeg vidste, at dette var usædvanligt."

På trods af de subtile forskelle, denne strikning af linjer af en zeolit ​​i en anden har udtalte konsekvenser for nanoarks evne til at genkende og selektivt transportere molekyler, hvilket muliggør selektive separationer og katalyse. Professorerne fra University of Minnesota, Traian Dumitrica (mekanik) og Ilja Siepmann (kemi) ledede simuleringerne for at teste dette mønster og ydeevne. Deres resultater afslørede, at de strikkede materialer er mindre følsomme over for stress og mere selektive til at adskille molekyler baseret på størrelse og form.

Membraner lavet af disse forbedrede nanoark til laboratoriesimuleringerne blev fremstillet af en forskergruppe ledet af Tsapatsis, og de blev også testet under industrielle forhold af Benjamin McCool, leder af separationer og proceskemi hos ExxonMobil. Sidstnævnte resulterede i rekordfiltreringsevne-p-xylen og o-xylen adskilt med fem gange højere effektivitet end Tsapatsis-gruppen til dato har rapporteret.

MFI-zeolit ​​er en porøs struktur af silicium- og oxygenatomer og er tidligere kendt for at vokse med endimensionelle strukturer, eller en zeolit ​​kaldet MEL, i masseform. Imidlertid, disse defekter er aldrig blevet specifikt fremstillet eller sammenvokset i todimensionelle nanoark.

"At lave ultra-selektive tyndfilmsmembraner og hierarkiske katalysatorer ved at finjustere frekvensen og fordelingen af ​​sammenvoksninger af porøse rammer er et koncept, som vores forskningsgruppe introducerede for et årti siden, "sagde Tsapatsis." Opdagelsen af ​​TEM af endimensionale intergrowths i todimensionale nanosheets og de praktiske implikationer foreslået ved modellering bringer potentialet i dette koncept til et nyt niveau og foreslår nye muligheder for målrettet syntese, som vi ikke havde forestillet os mulige. "

Hans team håber nu at skabe heterostrukturer af MFI-MEL nanoark, der kan maksimere MEL-indholdet og skubbe filtreringsydelsen af ​​de tynde film til endnu højere effektivitet, som forudsagt af laboratoriesimuleringerne. For Mkhoyan - der driver U's analytiske elektronmikroskopilaboratorium, hvor forskning på atomær skala er daglig rutine - gennembrudsfundet er en mulighed for yderligere at forbedre den måde, mikroskoper bruges til at studere nanomaterialer i detaljer på atomniveau.