Wetenschappers van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) waren net klaar met een experiment met een tweedimensionale (2D) structuur die ze synthetiseerden voor katalyseonderzoek toen, tot hun verbazing, ze ontdekten dat atomen van argongas gevangen waren geraakt in de poriën van nanogrootte. Argon en andere edelgassen zijn eerder gevangen in driedimensionale (3D) poreuze materialen, maar ze op oppervlakken immobiliseren was alleen bereikt door ofwel de gassen af ​​te koelen tot zeer lage temperaturen om ze te condenseren, of door gasionen te versnellen om ze direct in materialen te implanteren.

"Wij zijn het eerste team dat bij kamertemperatuur een edelgas opsluit in een 2D-poreuze structuur, " zei Anibal Boscoboinik, een materiaalwetenschapper bij Brookhaven Lab's Centre for Functional Nanomaterials (CFN), een DOE Office of Science User Facility waar een deel van het onderzoek is uitgevoerd.

Deze prestatie, gerapporteerd in een artikel dat vandaag is gepubliceerd in Natuurcommunicatie , zal wetenschappers in staat stellen om traditionele oppervlaktewetenschappelijke hulpmiddelen te gebruiken - zoals röntgenfoto-elektron en infraroodreflectieabsorptiespectroscopie - om gedetailleerde studies uit te voeren van afzonderlijke gasatomen in opsluiting. De kennis die uit dergelijk onderzoek wordt verkregen, kan het ontwerp, selectie, en verbetering van adsorberende materialen en membranen voor het opvangen van gassen zoals radioactief krypton en xenon dat wordt gegenereerd door kerncentrales.

Het team van wetenschappers van Brookhaven Lab, Stony Brook-universiteit, en de Nationale Universiteit van San Luis in Argentinië synthetiseerden 2D-aluminiumsilicaat (bestaande uit aluminium, silicium, en zuurstof) films bovenop een rutheniummetaaloppervlak. De wetenschappers hebben dit 2D-modelkatalysatormateriaal gemaakt om de chemische processen te bestuderen die plaatsvinden in de industrieel gebruikte 3D-katalysator (een zeoliet genoemd), die een kooiachtige structuur heeft met open poriën en kanalen ter grootte van kleine moleculen. Omdat het katalytisch actieve oppervlak in deze holtes is ingesloten, het is moeilijk om te peilen met traditionele oppervlaktewetenschapshulpmiddelen. Het 2D-analoge materiaal heeft dezelfde chemische samenstelling en actieve plaats als de 3D poreuze zeoliet, maar de actieve plaats is blootgesteld op een plat oppervlak, die gemakkelijker toegankelijk is met dergelijke tools.

Om te bevestigen dat de argonatomen vastzaten in deze "nanocages, "De wetenschappers stelden het 2D-materiaal bloot aan argongas en maten de kinetische energie en het aantal elektronen dat van het oppervlak werd uitgestoten nadat ze het met een röntgenstraal hadden geraakt. Ze voerden deze onderzoeken uit bij de voormalige National Synchrotron Light Source I (NSLS-I) en zijn opvolger, NSLS-II (beide DOE Office of Science User Facilities in Brookhaven), met een instrument ontwikkeld en beheerd door de CFN. Omdat de bindingsenergieën van kernelektronen uniek zijn voor elk chemisch element, de resulterende spectra onthullen de aanwezigheid en concentratie van elementen op het oppervlak. In een afzonderlijk experiment uitgevoerd bij de CFN, ze graasden een bundel infrarood licht over het oppervlak terwijl ze argongas introduceerden. Wanneer atomen licht van een bepaalde golflengte absorberen, ze ondergaan veranderingen in hun trillingsbewegingen die specifiek zijn voor de moleculaire structuur en chemische bindingen van dat element.

Om een ​​beter begrip te krijgen van hoe het raamwerk zelf bijdraagt ​​aan kooien, de wetenschappers onderzochten het vangmechanisme met silicaatfilms, die qua structuur vergelijkbaar zijn met de aluminosilicaten maar geen aluminium bevatten. In dit geval, ze ontdekten dat niet al het argon in de kooien vast komt te zitten - een kleine hoeveelheid gaat naar het grensvlak tussen het frame en het rutheniumoppervlak. Deze interface is te gecomprimeerd in de aluminosilicaatfilms om argon erin te persen.

Na het bestuderen van adsorptie, de wetenschappers onderzochten het omgekeerde proces van desorptie door de temperatuur stapsgewijs te verhogen totdat de argonatomen volledig vrijkwamen van het oppervlak bij 350 graden Fahrenheit. Ze bevestigden hun experimentele spectra met theoretische berekeningen van de hoeveelheid energie die gepaard gaat met argon dat de kooien binnenkomt en verlaat.

In een ander infraroodspectroscopie-experiment uitgevoerd in Brookhaven's Chemistry Division, ze onderzochten hoe de aanwezigheid van argon in de kooien de doorgang van koolmonoxidemoleculen door het raamwerk beïnvloedt. Ze ontdekten dat argon het aantal moleculen dat op het rutheniumoppervlak adsorbeert, beperkt.

"Naast het vangen van kleine atomen, de kooien zouden kunnen worden gebruikt als moleculaire zeven voor het filteren van koolmonoxide en andere kleine moleculen, zoals waterstof en zuurstof, " zei eerste auteur Jian-Qiang Zhong, een CFN-onderzoeksmedewerker.

Hoewel hun belangrijkste doel in de toekomst zal zijn om door te gaan met het onderzoeken van katalytische zeolietprocessen op het 2D-materiaal, de wetenschappers zijn geïnteresseerd in het leren van de impact van verschillende poriegroottes op het vermogen van de materialen om gasmoleculen op te vangen en te filteren.

"Terwijl we proberen het materiaal beter te begrijpen, interessante en onverwachte bevindingen blijven komen, "Zei Boscoboinik. "Het vermogen om oppervlaktewetenschappelijke methoden te gebruiken om te begrijpen hoe een enkel gasatoom zich gedraagt ​​​​wanneer het is opgesloten in een zeer kleine ruimte, opent veel interessante vragen voor onderzoekers om te beantwoorden."