Scienziati del Laboratorio nazionale dell'acceleratore SLAC del Dipartimento dell'energia e dell'Università di Stanford hanno scattato le prime immagini di molecole di anidride carbonica all'interno di una gabbia molecolare, parte di una nanoparticella altamente porosa nota come MOF, o struttura metallo-organica, con un grande potenziale per la separazione e lo stoccaggio di gas e liquidi.

Le immagini, realizzato presso le strutture Cryo-EM di Stanford-SLAC, mostrano due configurazioni della molecola di CO2 nella sua gabbia, in quella che gli scienziati chiamano una relazione ospite-ospite; rivelare che la gabbia si espande leggermente quando entra la CO2; e ingrandisci i bordi frastagliati dove le particelle MOF possono crescere aggiungendo più gabbie.

"Questo è un risultato rivoluzionario che sicuramente porterà intuizioni senza precedenti su come queste strutture altamente porose svolgono le loro funzioni eccezionali, e dimostra la potenza della crio-EM per risolvere un problema particolarmente difficile nella chimica MOF, "ha detto Omar Yaghi, professore all'Università della California, Berkeley e un pioniere in questo settore della chimica, che non è stato coinvolto nello studio.

Il gruppo di ricerca, guidato dai professori SLAC/Stanford Yi Cui e Wah Chiu, ha descritto lo studio oggi sulla rivista Questione .

Piccoli granelli con superfici enormi

I MOF hanno le aree superficiali più grandi di qualsiasi materiale conosciuto. Un grammo, o tre centesimi di oncia, può avere una superficie grande quasi quanto due campi da calcio, offrendo molto spazio alle molecole ospiti per entrare in milioni di gabbie ospiti.

Nonostante il loro enorme potenziale commerciale e due decenni di intenso, accelerare la ricerca, I MOF stanno appena iniziando a raggiungere il mercato. Scienziati di tutto il mondo progettano più di 6, 000 nuovi tipi di particelle MOF all'anno, cercando le giuste combinazioni di struttura e chimica per compiti particolari, come aumentare la capacità di stoccaggio dei serbatoi di gas o catturare e seppellire la CO2 dalle ciminiere per combattere il cambiamento climatico.

"Secondo il Gruppo intergovernativo di esperti sui cambiamenti climatici, limitare l'aumento della temperatura globale a 1,5 gradi Celsius richiederà una qualche forma di tecnologia di cattura del carbonio, " disse Yuzhang Li, un ricercatore post-dottorato di Stanford e autore principale del rapporto. "Questi materiali hanno il potenziale per catturare grandi quantità di CO2, e capire dove è legata la CO2 all'interno di queste strutture porose è davvero importante nella progettazione di materiali che lo facciano in modo più economico ed efficiente".

Uno dei metodi più potenti per osservare i materiali è la microscopia elettronica a trasmissione, o TEM, che può creare immagini in dettaglio atomo per atomo. Ma molti MOF, e i legami che trattengono le molecole ospiti al loro interno, si sciolgono in blob quando vengono esposti agli intensi fasci di elettroni necessari per questo tipo di imaging.

Alcuni anni fa, Cui e Li hanno adottato un metodo che è stato utilizzato per molti anni per studiare i campioni biologici:congelare i campioni in modo che reggano meglio sotto il bombardamento di elettroni. Hanno utilizzato uno strumento TEM avanzato presso le strutture condivise di Stanford Nano per esaminare per la prima volta in dettaglio atomico campioni congelati contenenti dendriti, escrescenze simili a dita di metallo al litio che possono perforare e danneggiare le batterie agli ioni di litio.

immagini atomiche, un elettrone alla volta

Per questo ultimo studio, Cui e Li hanno utilizzato strumenti presso le strutture Cryo-EM di Stanford-SLAC, che hanno rivelatori molto più sensibili in grado di raccogliere segnali da singoli elettroni che passano attraverso un campione. Ciò ha permesso agli scienziati di creare immagini con dettagli atomici riducendo al minimo l'esposizione al fascio di elettroni.

Il MOF che hanno studiato si chiama ZIF-8. È arrivato in particelle di appena 100 miliardesimi di metro di diametro; dovresti allinearne circa 900 in modo che corrispondano alla larghezza di un capello umano. "Ha un alto potenziale commerciale perché è molto economico e facile da sintetizzare, " ha detto il ricercatore post-dottorato di Stanford Kecheng Wang, che ha avuto un ruolo chiave negli esperimenti. "È già utilizzato per catturare e immagazzinare gas tossici".

Cryo-EM non solo consente loro di creare immagini super nitide con danni minimi alle particelle, ma ha anche impedito al gas di CO2 di fuoriuscire mentre veniva scattata la sua foto. Imaging del campione da due angolazioni, i ricercatori sono stati in grado di confermare le posizioni di due dei quattro siti in cui si ritiene che la CO2 sia debolmente trattenuta all'interno della sua gabbia.

"Ero davvero emozionato quando ho visto le foto. È un lavoro brillante, " ha detto il professor Robert Sinclair di Stanford, un esperto nell'uso di TEM per studiare i materiali che ha aiutato a interpretare i risultati del team. "Fotografare le molecole di gas all'interno dei MOF è un incredibile passo avanti".