Gli scienziati del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) avevano appena terminato un esperimento con una struttura bidimensionale (2D) che avevano sintetizzato per la ricerca sulla catalisi quando, con loro sorpresa, hanno scoperto che gli atomi di gas argon erano rimasti intrappolati all'interno dei pori di dimensioni nanometriche della struttura. L'argon e altri gas nobili sono stati precedentemente intrappolati in materiali porosi tridimensionali (3D), ma immobilizzarli sulle superfici era stato ottenuto solo raffreddando i gas a temperature molto basse per condensarli, o accelerando gli ioni di gas per impiantarli direttamente nei materiali.

"Siamo la prima squadra a intrappolare un gas nobile in una struttura porosa 2D a temperatura ambiente, " disse Anibal Boscoboinik, uno scienziato dei materiali presso il Center for Functional Nanomaterials (CFN) del Brookhaven Lab, un DOE Office of Science User Facility dove è stata condotta parte della ricerca.

Questo traguardo, riportato in un articolo pubblicato oggi in Comunicazioni sulla natura , consentirà agli scienziati di utilizzare gli strumenti tradizionali della scienza delle superfici, come la fotoelettronica a raggi X e la spettroscopia di assorbimento della riflessione a infrarossi, per eseguire studi dettagliati su singoli atomi di gas in confinamento. Le conoscenze acquisite da tale ricerca potrebbero informare il design, selezione, e miglioramento di materiali adsorbenti e membrane per la cattura di gas come krypton radioattivo e xeno generati da centrali nucleari.

Il team di scienziati del Brookhaven Lab, Stony Brook University, e l'Università Nazionale di San Luis in Argentina hanno sintetizzato alluminosilicato 2D (composto da alluminio, silicio, e ossigeno) film su una superficie di metallo rutenio. Gli scienziati hanno creato questo materiale catalizzatore modello 2D per studiare i processi chimici che avvengono nel catalizzatore 3D utilizzato industrialmente (chiamato zeolite), che ha una struttura a gabbia con pori aperti e canali delle dimensioni di piccole molecole. Poiché la superficie cataliticamente attiva è racchiusa all'interno di queste cavità, è difficile da sondare con gli strumenti tradizionali della scienza delle superfici. Il materiale analogico 2D ha la stessa composizione chimica e sito attivo della zeolite porosa 3D ma il suo sito attivo è esposto su una superficie piana, a cui è più facile accedere con tali strumenti.

Per confermare che gli atomi di argon erano intrappolati in queste "nanogabbie, " gli scienziati hanno esposto il materiale 2D al gas argon e hanno misurato l'energia cinetica e il numero di elettroni espulsi dalla superficie dopo averla colpita con un raggio di raggi X. Hanno eseguito questi studi presso l'ex National Synchrotron Light Source I (NSLS-I) e la sua struttura successiva, NSLS-II (entrambe DOE Office of Science User Facilities a Brookhaven), con uno strumento sviluppato e gestito dal CFN. Poiché le energie di legame degli elettroni del nucleo sono uniche per ciascun elemento chimico, gli spettri risultanti rivelano la presenza e la concentrazione degli elementi sulla superficie. In un esperimento separato condotto al CFN, hanno sfiorato un raggio di luce infrarossa sulla superficie mentre introducevano gas argon. Quando gli atomi assorbono la luce di una specifica lunghezza d'onda, subiscono cambiamenti nei loro movimenti vibrazionali che sono specifici della struttura molecolare di quell'elemento e dei legami chimici.

Per comprendere meglio come la struttura stessa contribuisce all'ingabbiamento, gli scienziati hanno studiato il meccanismo di intrappolamento con film di silicato, che sono simili nella struttura agli alluminosilicati ma non contengono alluminio. In questo caso, hanno scoperto che non tutto l'argon rimane intrappolato nelle gabbie:una piccola quantità va all'interfaccia tra la struttura e la superficie del rutenio. Questa interfaccia è troppo compressa nei film di alluminosilicato perché l'argon possa entrare.

Dopo aver studiato l'adsorbimento, gli scienziati hanno esaminato il processo inverso di desorbimento aumentando gradualmente la temperatura fino a quando gli atomi di argon non si sono completamente rilasciati dalla superficie a 350 gradi Fahrenheit. Hanno corroborato i loro spettri sperimentali con calcoli teorici della quantità di energia associata all'argon che entra ed esce dalle gabbie.

In un altro esperimento di spettroscopia a infrarossi condotto nella divisione di chimica di Brookhaven, hanno esplorato come la presenza di argon nelle gabbie influenzi il passaggio delle molecole di monossido di carbonio attraverso la struttura. Hanno scoperto che l'argon limita il numero di molecole che si adsorbono sulla superficie del rutenio.

"Oltre a intrappolare piccoli atomi, le gabbie potrebbero essere utilizzate come setacci molecolari per filtrare monossido di carbonio e altre piccole molecole, come idrogeno e ossigeno, " ha detto il primo autore Jian-Qiang Zhong, un ricercatore associato CFN.

Mentre il loro obiettivo principale in futuro sarà quello di continuare a studiare i processi catalitici della zeolite sul materiale 2D, gli scienziati sono interessati a conoscere l'impatto delle diverse dimensioni dei pori sulla capacità dei materiali di intrappolare e filtrare le molecole di gas.

"Mentre cerchiamo di capire meglio il materiale, continuano ad arrivare scoperte interessanti e inaspettate, " ha detto Boscoboinik. "La capacità di utilizzare metodi della scienza della superficie per capire come si comporta un singolo atomo di gas quando è confinato in uno spazio molto piccolo apre molte domande interessanti a cui i ricercatori devono rispondere".