Un team internazionale di scienziati e ingegneri, guidato dal Professore Associato dell'Università del Minnesota K. Andre Mkhoyan e dal Professore Emerito Michael Tsapatsis (attualmente, un Distinguished Professor di Bloomberg alla Johns Hopkins University), hanno fatto una scoperta che potrebbe far avanzare ulteriormente l'uso di nanofogli di zeolite ultrasottili, utilizzati come filtri molecolari specializzati. La scoperta potrebbe migliorare l'efficienza nella produzione di benzina, plastica, e biocarburanti.

La scoperta rivoluzionaria di difetti unidimensionali in una struttura bidimensionale di materiale poroso (una zeolite chiamata MFI) è stata ottenuta utilizzando una potente microscopia elettronica a trasmissione ad alta risoluzione (TEM) nel campus dell'Università del Minnesota Twin Cities. Imaging della struttura atomica dei nanosheet MFI con dettagli senza precedenti, i ricercatori hanno scoperto che questi difetti unidimensionali hanno portato a una struttura di nanofoglio rinforzata unica che ha cambiato drasticamente le proprietà di filtrazione del nanofoglio.

I risultati sono pubblicati in Materiali della natura .

"L'imaging TEM del sottile cristallo di zeolite su scala atomica è stata una sfida di vecchia data poiché questi cristalli sono prontamente danneggiati sotto gli elettroni ad alta energia, che sono necessari per l'imaging su scala atomica, " disse Mkhoyan, un esperto in TEM avanzato e la cattedra Ray D. e Mary T. Johnson/Mayon Plastics presso il Dipartimento di ingegneria chimica e scienza dei materiali presso il College of Science and Engineering dell'Università del Minnesota. "Richiede una profonda comprensione dei meccanismi di danno del fascio per i cristalli di zeolite e delle dosi di fascio di elettroni che la zeolite può assumere. Questo lavoro ha spinto i limiti dei nostri microscopi elettronici, dove possiamo produrre in modo affidabile immagini a risoluzione atomica di tali nanofogli di zeolite estremamente sottili (solo 3 nanometri di spessore) con intercrescite unidimensionali identificabili".

Le minuscole differenze tra i due materiali (vedi immagine allegata) sono state rilevate da Prashant Kumar, un laureato presso l'Università del Minnesota Twin Cities College of Science and Engineering, dopo quasi cinque anni di ricerca.

"Sono stato affascinato dai bellissimi motivi simmetrici in cristallo MFI durante il mio lavoro di dottorato, " disse Kumar, un autore principale dello studio. "Dopo aver guardato immagini rumorose nel TEM per innumerevoli ore, Ho finalmente visto la rottura della simmetria nelle immagini TEM dei nanofogli MFI:sapevo che era insolito".

Nonostante le sottili differenze, questo intreccio di linee di una zeolite all'interno di un'altra ha conseguenze pronunciate sulla capacità dei nanosheet di riconoscere e trasportare selettivamente molecole che consentono separazioni e catalisi selettive. I professori dell'Università del Minnesota Traian Dumitrica (ingegneria meccanica) e Ilja Siepmann (chimica) hanno condotto le simulazioni per testare questo modello e le prestazioni. Le loro scoperte hanno rivelato che i materiali a maglia sono meno sensibili allo stress e più selettivi nella separazione delle molecole in base alle dimensioni e alla forma.

Le membrane realizzate con questi nanosheet migliorati per le simulazioni di laboratorio sono state fabbricate da un gruppo di ricerca guidato da Tsapatsis, e sono stati testati anche in condizioni industriali da Benjamin McCool, responsabile delle separazioni e della chimica di processo presso ExxonMobil. Quest'ultimo ha portato a prestazioni di filtrazione record:p-xilene e o-xilene separati con un'efficienza cinque volte superiore a quella che il gruppo di Tsapatsis ha riportato fino ad oggi.

La zeolite MFI è una struttura porosa di atomi di silicio e ossigeno ed è nota in precedenza per crescere con strutture unidimensionali, o una zeolite chiamata MEL, in forma sfusa. Però, questi difetti non sono mai stati fabbricati in modo specifico o intrecciati in nanosheet bidimensionali.

"Realizzare membrane a film sottile ultra-selettive e catalizzatori gerarchici regolando con precisione la frequenza e la distribuzione delle intercrescite di strutture porose è un concetto introdotto dal nostro gruppo di ricerca un decennio fa, " ha affermato Tsapatsis. "La scoperta da parte di TEM di intercrescite unidimensionali in nanosheet bidimensionali e le implicazioni pratiche suggerite dalla modellazione portano il potenziale di questo concetto a un nuovo livello e suggeriscono nuove opportunità di sintesi mirate che non abbiamo immaginato possibili. "

Il suo team ora spera di creare eterostrutture di nanofogli MFI-MEL in grado di massimizzare il contenuto di MEL e spingere le prestazioni di filtrazione dei film sottili a un'efficienza ancora maggiore, come previsto dalle simulazioni di laboratorio. Per Mkhoyan, che gestisce il laboratorio di microscopia elettronica analitica della U, dove la ricerca su scala atomica è routine quotidiana, la scoperta rivoluzionaria è un'opportunità per migliorare ulteriormente il modo in cui i microscopi vengono utilizzati per studiare i nanomateriali in dettaglio a livello atomico.