Los científicos del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía y la Universidad de Stanford han tomado las primeras imágenes de moléculas de dióxido de carbono dentro de una jaula molecular ¬¬- parte de una nanopartícula altamente porosa conocida como MOF, o marco organometálico, con granpotencial para separar y almacenar gases y líquidos.
Las imágenes, realizadas en las instalaciones de Stanford-SLAC Cryo-EM, muestran dos configuraciones de la molécula de CO2 en su jaula, en lo que los científicos llaman una relación huésped-huésped; revelan que la jaula se expande ligeramente a medida que entra el CO2; y amplíaen bordes dentados donde las partículas de MOF pueden crecer agregando más jaulas.
"Este es un logro innovador que seguramente aportará conocimientos sin precedentes sobre cómo estas estructuras altamente porosas llevan a cabo sus funciones excepcionales, y demuestra el poder de cryo-EM para resolver un problema particularmente difícil en la química MOF", dijo Omar Yaghi, profesor de la Universidad de California, Berkeley y pionero en esta área de química, que no participó en el estudio.
El equipo de investigación, dirigido por los profesores de SLAC / Stanford, Yi Cui y Wah Chiu, describió el estudio hoy en la revista materia .
Pequeñas motas con enormes superficies
Los MOF tienen las áreas de superficie más grandes de cualquier material conocido. Un solo gramo, o tres centésimas de onza, puede tener un área de superficie casi del tamaño de dos campos de fútbol, ofreciendo mucho espacio para que las moléculas invitadas entren en millones de jaulas de acogida.
A pesar de su enorme potencial comercial y de dos décadas de investigación intensa y acelerada, los MOF recién comienzan a llegar al mercado. Los científicos de todo el mundo diseñan más de 6,000 nuevos tipos de partículas MOF por año, buscando las combinaciones correctas de estructura yquímica para tareas particulares, como aumentar la capacidad de almacenamiento de los tanques de gas o capturar y enterrar CO2 de las chimeneas para combatir el cambio climático.
"Según el Panel Intergubernamental sobre Cambio Climático, limitar los aumentos de temperatura global a 1.5 grados Celsius requerirá alguna forma de tecnología de captura de carbono", dijo Yuzhang Li, un investigador postdoctoral de Stanford y autor principal del informe. "Estos materiales tienen elpotencial para capturar grandes cantidades de CO2, y comprender dónde se une el CO2 dentro de estos marcos porosos es realmente importante en el diseño de materiales que lo hagan de manera más económica y eficiente ".
Uno de los métodos más potentes para observar materiales es la microscopía electrónica de transmisión, o TEM, que puede crear imágenes en detalle átomo por átomo. Pero muchos MOF y los enlaces que contienen moléculas huésped dentro de ellos, se funden en gotas cuando se exponena los intensos haces de electrones necesarios para este tipo de imágenes.
Hace unos años, Cui y Li adoptaron un método que se ha utilizado durante muchos años para estudiar muestras biológicas: congelar las muestras para que se mantengan mejor bajo el bombardeo electrónico. Usaron un instrumento TEM avanzado en las Instalaciones Nano Compartidas de Stanford para examinar el flash-congeladas muestras que contienen dendritas crecimientos en forma de dedos de litio metálico que pueden perforar y dañar las baterías de iones de litio en detalle atómico por primera vez.
Imágenes atómicas, un electrón a la vez
Para este último estudio, Cui y Li usaron instrumentos en las Instalaciones Cryo-EM de Stanford-SLAC, que tienen detectores mucho más sensibles que pueden captar señales de electrones individuales que pasan a través de una muestra. Esto permitió a los científicos hacer imágenes en atómicodetalle al tiempo que minimiza la exposición al haz de electrones.
El MOF que estudiaron se llama ZIF-8. Viene en partículas de solo 100 billonésimas de metro de diámetro; necesitaría alinear unas 900 de ellas para que coincidan con el ancho de un cabello humano ". Tiene un alto nivel comercialpotencial porque es muy barato y fácil de sintetizar ", dijo el investigador postdoctoral de Stanford Kecheng Wang, quien desempeñó un papel clave en los experimentos." Ya se está utilizando para capturar y almacenar gases tóxicos ".
Cryo-EM no solo les permitió crear imágenes súper nítidas con un daño mínimo a las partículas, sino que también evitó que el gas CO2 escapara mientras se tomaba la imagen. Al obtener imágenes de la muestra desde dos ángulos, los investigadores pudieronconfirme las posiciones de dos de los cuatro sitios donde se cree que el CO2 se mantiene débilmente en su lugar dentro de su jaula.
"Estaba realmente emocionado cuando vi las fotos. Es un trabajo brillante", dijo el profesor de Stanford Robert Sinclair, un experto en el uso de TEM para estudiar materiales que ayudó a interpretar los resultados del equipo ". Tomar fotos de las moléculas de gas en el interiorlos MOF es un increíble paso adelante "
El financiamiento principal para este estudio provino de los Institutos Nacionales de Salud y el Departamento de Energía.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio nacional de aceleración DOE / SLAC . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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