Een internationaal team van wetenschappers en ingenieurs, onder leiding van universitair hoofddocent K. Andre Mkhoyan van de Universiteit van Minnesota en emeritus hoogleraar Michael Tsapatsis (momenteel een Bloomberg Distinguished Professor aan de Johns Hopkins University), hebben een ontdekking gedaan die het gebruik van ultradunne zeoliet nanosheets verder zou kunnen bevorderen, die worden gebruikt als gespecialiseerde moleculaire filters. De ontdekking zou de efficiëntie bij de productie van benzine kunnen verbeteren, kunststoffen, en biobrandstoffen.

De baanbrekende ontdekking van eendimensionale defecten in een tweedimensionale structuur van poreus materiaal (een zeoliet genaamd MFI) werd bereikt met behulp van een krachtige transmissie-elektronenmicroscopie met hoge resolutie (TEM) op de Twin Cities-campus van de Universiteit van Minnesota. Door de atomaire structuur van de MFI-nanosheets met ongekend detail in beeld te brengen, de onderzoekers ontdekten dat deze eendimensionale defecten resulteerden in een unieke versterkte nanosheetstructuur die de filtratie-eigenschappen van de nanosheet dramatisch veranderde.

De bevindingen zijn gepubliceerd in Natuurmaterialen .

"TEM-beeldvorming van dun zeolietkristal op atomaire schaal is een langdurige uitdaging geweest, omdat deze kristallen gemakkelijk worden beschadigd onder de hoogenergetische elektronen, die nodig zijn voor beeldvorming op atomaire schaal, " zei Mkhoyan, een expert in geavanceerde TEM en de Ray D. en Mary T. Johnson/Mayon Plastics Chair in de afdeling Chemical Engineering and Materials Science aan de University of Minnesota's College of Science and Engineering. "Het vereist een diep begrip van de mechanismen van straalbeschadiging voor zeolietkristallen en de doses elektronenstraal die de zeoliet kan verdragen. Dit werk verlegde de grenzen van onze elektronenmicroscopen, waar we op betrouwbare wijze afbeeldingen met atomaire resolutie kunnen produceren van zulke extreem dunne (slechts 3 nanometer dik) zeoliet nanosheets met herkenbare eendimensionale vergroeiingen."

De minieme verschillen tussen de twee materialen (zie bijgevoegde afbeelding) werden gedetecteerd door Prashant Kumar, afgestudeerd aan de University of Minnesota Twin Cities College of Science and Engineering, na bijna vijf jaar onderzoek.

"Ik ben tijdens mijn doctoraatswerk gefascineerd geweest door de prachtige symmetrische patronen in MFI-kristal, " zei Kumar, een hoofdauteur van de studie. "Na talloze uren naar beelden met ruis in de TEM te hebben gestaard, Eindelijk zag ik de symmetrie breken in de TEM-afbeeldingen van MFI-nanosheets - ik wist dat dit ongebruikelijk was."

Ondanks de subtiele verschillen, dit breien van lijnen van de ene zeoliet in de andere heeft uitgesproken gevolgen voor het vermogen van nanosheets om moleculen te herkennen en selectief te transporteren, wat selectieve scheidingen en katalyse mogelijk maakt. Professoren Traian Dumitrica (werktuigbouwkunde) en Ilja Siepmann (chemie) van de Universiteit van Minnesota leidden de simulaties om dit patroon en de prestaties te testen. Hun bevindingen onthulden dat de gebreide materialen minder reageren op stress en selectiever zijn in het scheiden van moleculen op basis van grootte en vorm.

Membranen gemaakt van deze verbeterde nanosheets voor de laboratoriumsimulaties werden gefabriceerd door een onderzoeksgroep onder leiding van Tsapatsis, en ze werden ook onder industriële omstandigheden getest door Benjamin McCool, hoofd scheidingen en proceschemie bij ExxonMobil. Dit laatste resulteerde in recordfiltratieprestaties - p-xyleen en o-xyleen gescheiden met een vijf keer hogere efficiëntie dan de Tsapatsis-groep tot nu toe heeft gerapporteerd.

MFI-zeoliet is een poreuze structuur van silicium- en zuurstofatomen en het is eerder bekend dat het groeit met eendimensionale structuren, of een zeoliet genaamd MEL, in bulkvorm. Echter, deze defecten zijn nooit specifiek gefabriceerd of ingegroeid in tweedimensionale nanosheets.

"Het maken van ultraselectieve dunne-filmmembranen en hiërarchische katalysatoren door de frequentie en distributie van vergroeiingen van poreuze raamwerken te verfijnen, is een concept dat tien jaar geleden door onze onderzoeksgroep is geïntroduceerd, " zei Tsapatsis. "De ontdekking door TEM van eendimensionale vergroeiingen in tweedimensionale nanosheets en de praktische implicaties die door modellering worden gesuggereerd, brengen het potentieel van dit concept naar een nieuw niveau en suggereren nieuwe mogelijkheden voor gerichte synthese die we niet voor mogelijk hadden gehouden. "

Zijn team hoopt nu heterostructuren van MFI-MEL-nanobladen te creëren die het MEL-gehalte kunnen maximaliseren en de filtratieprestaties van de dunne films naar een nog hogere efficiëntie kunnen brengen, zoals voorspeld door de laboratoriumsimulaties. Voor Mkhoyan, die het analytische elektronenmicroscopielab van de V.S. runt, waar onderzoek op atomaire schaal dagelijkse routine is - de baanbrekende bevinding is een kans om de manier waarop microscopen worden gebruikt om nanomaterialen tot in detail op atomair niveau te bestuderen, verder te verbeteren.