Wetenschappers van het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy en de Stanford University hebben de eerste beelden gemaakt van koolstofdioxidemoleculen in een moleculaire kooi - onderdeel van een zeer poreus nanodeeltje dat bekend staat als een MOF. of metaal-organisch raamwerk, met een groot potentieel voor het scheiden en opslaan van gassen en vloeistoffen.

De afbeeldingen, gemaakt in de Stanford-SLAC Cryo-EM-faciliteiten, laat twee configuraties zien van het CO2-molecuul in zijn kooi, in wat wetenschappers een gast-gastheerrelatie noemen; laat zien dat de kooi iets uitzet als de CO2 binnenkomt; en zoom in op gekartelde randen waar MOF-deeltjes kunnen groeien door meer kooien toe te voegen.

"Dit is een baanbrekende prestatie die zeker ongekende inzichten zal opleveren in hoe deze zeer poreuze structuren hun uitzonderlijke functies uitvoeren, en het demonstreert de kracht van cryo-EM voor het oplossen van een bijzonder moeilijk probleem in MOF-chemie, " zei Omar Yaghi, een professor aan de Universiteit van Californië, Berkeley en een pionier op dit gebied van chemie, die niet bij het onderzoek betrokken was.

Het onderzoeksteam, onder leiding van SLAC/Stanford-professoren Yi Cui en Wah Chiu, beschreef de studie vandaag in het tijdschrift Materie .

Kleine vlekjes met enorme oppervlakken

MOF's hebben de grootste oppervlakten van alle bekende materialen. Een enkele gram, of drie honderdsten van een ounce, kan een oppervlakte hebben van bijna twee voetbalvelden, biedt voldoende ruimte voor gastmoleculen om miljoenen gastkooien binnen te gaan.

Ondanks hun enorme commerciële potentieel en twee decennia van intense, onderzoek versnellen, MOF's beginnen nu pas de markt te bereiken. Wetenschappers over de hele wereld ontwikkelen meer dan 6, 000 nieuwe soorten MOF-deeltjes per jaar, zoeken naar de juiste combinaties van structuur en chemie voor bepaalde taken, zoals het vergroten van de opslagcapaciteit van gastanks of het afvangen en begraven van CO2 uit schoorstenen om klimaatverandering tegen te gaan.

"Volgens het Intergouvernementeel Panel inzake klimaatverandering, het beperken van de wereldwijde temperatuurstijgingen tot 1,5 graad Celsius zal een vorm van koolstofafvangtechnologie vereisen, " zei Yuzhang Li, een postdoctoraal onderzoeker van Stanford en hoofdauteur van het rapport. "Deze materialen hebben het potentieel om grote hoeveelheden CO2, en begrijpen waar de CO2 binnen deze poreuze kaders wordt gebonden, is erg belangrijk bij het ontwerpen van materialen die dat goedkoper en efficiënter doen."

Een van de krachtigste methoden voor het observeren van materialen is transmissie-elektronenmicroscopie, of TEM, die afbeeldingen atoom-voor-atoom detail kan maken. Maar veel MOF's, en de bindingen die gastmoleculen in zich houden, smelten in klodders wanneer ze worden blootgesteld aan de intense elektronenstralen die nodig zijn voor dit type beeldvorming.

Een paar jaar geleden, Cui en Li hebben een methode aangenomen die al vele jaren wordt gebruikt om biologische monsters te bestuderen:bevries monsters zodat ze beter standhouden onder elektronenbombardement. Ze gebruikten een geavanceerd TEM-instrument in de Stanford Nano Shared Facilities om voor het eerst in atomaire details bevroren monsters met dendrieten te onderzoeken - vingerachtige gezwellen van lithiummetaal dat lithium-ionbatterijen kan doorboren en beschadigen.

Atomaire beelden, één elektron tegelijk

Voor dit laatste onderzoek Cui en Li gebruikten instrumenten bij de Stanford-SLAC Cryo-EM-faciliteiten, die veel gevoeligere detectoren hebben die signalen kunnen opvangen van individuele elektronen die door een monster gaan. Hierdoor konden de wetenschappers afbeeldingen maken in atomaire details terwijl de blootstelling aan elektronenstralen werd geminimaliseerd.

De MOF die ze bestudeerden, heet ZIF-8. Het kwam in deeltjes van slechts 100 miljardste van een meter in diameter; je zou er ongeveer 900 moeten uitlijnen om overeen te komen met de breedte van een mensenhaar. "Het heeft een groot commercieel potentieel omdat het erg goedkoop en gemakkelijk te synthetiseren is, " zei Stanford postdoctoraal onderzoeker Kecheng Wang, die een sleutelrol speelden in de experimenten. "Het wordt al gebruikt om giftige gassen op te vangen en op te slaan."

Met Cryo-EM konden ze niet alleen superscherpe beelden maken met minimale schade aan de deeltjes, maar het zorgde er ook voor dat het CO2-gas niet ontsnapte terwijl de foto werd gemaakt. Door het monster vanuit twee hoeken in beeld te brengen, de onderzoekers waren in staat om de posities te bevestigen van twee van de vier locaties waar wordt gedacht dat CO2 zwak op zijn plaats wordt gehouden in zijn kooi.

"Ik was echt opgewonden toen ik de foto's zag. Het is een briljant stuk werk, " zei Stanford-professor Robert Sinclair, een expert in het gebruik van TEM om materialen te bestuderen die hielpen bij het interpreteren van de resultaten van het team. "Het maken van foto's van de gasmoleculen in de MOF's is een ongelooflijke stap voorwaarts."