Stel je voor dat je een stad bouwt met slechts twee soorten gebouwen:rode huizen en groene kantoren. Je spreidt de gebouwen gelijkmatig uit, afwisselend rood en groen. Nutsvoorzieningen, stel je diezelfde stad voor met buurten en zakenwijken. De 3D-kaart zou verschillende gebieden van rood en groen hebben. Dr. Xiao-Ying Yu van DOE's Pacific Northwest National Laboratory en haar collega's kregen een vergelijkbare kaart toen ze in een populair oplosmiddel doken, bekend als een schakelbare ionische vloeistof, of SWIL. Het team tekende de eerste chemische kaart van een SWIL.

"We zagen iets wat niemand eerder had gezien - chemie die niemand eerder had gezien, " zei Yu, de PNNL-chemicus die het team leidde.

Deze schakelbare vloeistoffen vangen kooldioxide, dienen als sjablonen voor kleine designerdeeltjes en extraheren gewenste chemicaliën uit biomassa. SWIL's zijn gemakkelijker te controleren en produceren minder afval dan conventionele technieken. Echter, wetenschappers wisten niet precies wat er in de vloeistof gebeurde. Het onderzoek van het team biedt een gedetailleerde kaart van hoe SWIL's werken. De studie geeft wetenschappers inzichten om bestaande SWIL's beter te beheersen en nieuwe, effectievere vloeistoffen voor groene scheiding. In aanvulling, SWIL's kunnen ook dienen als zachte sjablonen voor het maken van extreem kleine structuren.

"Het geeft ons een dieper inzicht in wat de oplosmiddelen doen en hoe ze zich gedragen, " zei dr. David Heldebrant, een PNNL-wetenschapper die de chemie van koolstofdioxide bestudeert.

Gebruikt om kooldioxide op te vangen, nanodeeltjes synthetiseren en helpen biomassa om te zetten in biobrandstoffen, SWIL's zijn een populair oplosmiddel. Helaas, deze vloeistoffen zijn moeilijk te controleren en te verbeteren. Waarom? De innerlijke werking van de vloeistoffen was een mysterie. Terwijl velen dachten dat SWIL's homogeen waren als ze volledig met koolstofdioxide waren geladen, het team was niet overtuigd. Werken met theoretici bij PNNL, Yu en haar collega's onderzochten computationele simulaties en berekeningen die verschillende regio's in de SWIL's lieten zien, zelfs als de chemie zei dat het homogeen moest zijn.

Het team koos een tweeledige benadering voor het opstellen van een 3D-chemische kaart van een SWIL. Een daarvan betrof het analyseren van de vloeistof met behulp van instrumenten zoals een time-of-flight secundaire ionenmassaspectrometer (SIMS) bij DOE's EMSL, een wetenschappelijke gebruikersfaciliteit. "Wij zijn een van de weinige groepen die SIMS-analyse van vloeistoffen en vloeistofinterfaces kunnen doen, " zei Yu. "De meeste plaatsen moeten het monster opdrogen of andere bulkbenaderingen gebruiken. Wij niet."

Yu analyseerde samen met Juan Yao en Dr. Zihua Zhu de massaspectrometergegevens met inzichten van hun synthesecollega's.

Ze voerden ook een reeks experimenten uit waarin de bekroonde SALVI-technologie werd gecombineerd. SALVI, of systeem voor analyse op de vloeistofvacuüminterface, maakt beeldvormingsinstrumenten mogelijk die het luchtgevoelige ionische vloeistofmonster onder een vacuüm moeten plaatsen om vloeistoffen te bestuderen die in realtime en in een realistische omgeving reageren. SALVI, klein genoeg om in de palm van een hand te passen, vereist slechts twee druppels vloeistof. Het team gebruikte SALVI met een chemisch dynamische fotonbundellijn bij DOE's Advanced Light Source, een andere wetenschappelijke gebruikersfaciliteit. Ze vonden ondersteunend bewijs van de SWIL-componenten, aanvulling op de SIMS-waarnemingen.

Bij het analyseren van de resultaten van de twee benaderingen en de eerdere theoretische studie, het team creëerde een 3D-kaart voor de vloeistof. "Dit onderzoek opende de sluizen, " zei Dr. Satish K. Nune, een PNNL-chemicus die aan het onderzoek heeft meegewerkt. "Het gaf veel mensen nieuwe ideeën over SWIL-chemie."

Bij PNNL, SWIL-onderzoek levert steeds nieuwe inzichten op. Yu leidt het onderzoek naar het gebruik van SWIL's als modelsysteem voor het onderzoeken van de oplosmiddelstructuur via SALVI bij DOE-lichtbronnen. Heldebrant bestudeert hoe SWIL-structuren kunnen worden gemanipuleerd om koolstofdioxide efficiënt op te vangen. Nune leidt inspanningen om SWIL's te gebruiken om water uit de lucht te halen met minder energie.