Negli ultimi anni, gli scienziati hanno dimostrato come una gabbia, strutture porose fatte di silicio e ossigeno e che misurano solo miliardesimi di metro possono intrappolare gas nobili come l'argon, krypton, e xeno. Però, affinché queste nanogabbie di silice siano praticamente utili, ad esempio, per migliorare l'efficienza della produzione di energia nucleare, devono essere ampliati rispetto alle loro versioni di laboratorio. Gli scienziati hanno ora fatto un passo avanti nel portare questa tecnologia fuori dal laboratorio e nel mondo reale. Come hanno recentemente riportato in Piccolo, i materiali disponibili in commercio possono fornire una piattaforma potenzialmente scalabile per intrappolare i gas nobili.

"Realizzare un centimetro quadrato delle nostre nanogabbie su scala di laboratorio, che può intrappolare solo nanogrammi di gas, impiega un paio di settimane e richiede costosi componenti e attrezzature di avviamento, " ha detto l'autore corrispondente Anibal Boscoboinik, uno scienziato dei materiali nell'Interface Science and Catalysis Group presso il Center for Functional Nanomaterials (CFN), un U.S. Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility presso il Brookhaven National Laboratory. "Esistono processi commerciali per sintetizzare tonnellate di queste nanogabbie di silice, che sono così economici che vengono usati come additivi nel calcestruzzo. Però, questi materiali commerciali non intrappolano i gas nobili, quindi una sfida per ridimensionare la nostra tecnologia è stata capire cosa c'è di speciale nelle nostre nanogabbie".

Una scoperta inaspettata

Boscoboinik guida la ricerca sulle nanogabbie al CFN dal 2014, a seguito di un atto di serendipità. Lui e i suoi colleghi avevano appena terminato un esperimento di catalisi con nanogabbie di silice depositate sopra un singolo cristallo di metallo rutenio quando hanno notato che singoli atomi di gas argon erano rimasti intrappolati all'interno dei pori di dimensioni nanometriche della struttura. Con questo ritrovamento accidentale, sono diventati il ​​primo gruppo a intrappolare un gas nobile all'interno di una struttura porosa bidimensionale (2D) a temperatura ambiente. Nel 2019, hanno intrappolato altri due gas nobili all'interno delle gabbie:krypton e xeno. In questo secondo studio, hanno imparato che per far funzionare la cattura, dovevano avvenire due processi:gli atomi di gas dovevano essere convertiti in ioni (atomi caricati elettricamente) prima di entrare nelle gabbie, e le gabbie dovevano essere in contatto con un supporto metallico per neutralizzare gli ioni una volta all'interno delle gabbie, intrappolandoli efficacemente in posizione.

Con questa comprensione, nel 2020, Boscoboinik e il suo team hanno depositato una domanda di brevetto, ora in attesa. Quello stesso anno, attraverso il Fondo per la commercializzazione della tecnologia (TCF), il DOE Office of Technology Transitions ha selezionato una proposta di ricerca presentata dal CFN in collaborazione con il dipartimento di scienza e tecnologia nucleare di Brookhaven e Forge Nano per ampliare le nanogabbie sviluppate in laboratorio. L'obiettivo di questo scale-up è massimizzare la superficie per intrappolare krypton e xeno, entrambi i prodotti della fissione nucleare dell'uranio. Catturarli è auspicabile per migliorare l'efficienza dei reattori nucleari, prevenire guasti operativi dovuti all'aumento della pressione del gas, ridurre le scorie nucleari radioattive, e rilevare i test sulle armi nucleari.

Un inizio per crescere

Parallelamente allo sforzo del TCF, il team CFN ha iniziato in modo indipendente a esplorare come scalare le nanogabbie per applicazioni pratiche, nucleare e non solo. Durante le loro esplorazioni, il team CFN ha trovato l'azienda che produce grandi volumi di nanogabbie di silice, sotto forma di polvere. Invece di depositare le nanogabbie su singoli cristalli di rutenio, il team li ha depositati su sottili film di rutenio, che costano meno. A differenza delle nanogabbie da laboratorio, queste nanogabbie hanno componenti organici (contenenti carbonio). Così, dopo aver depositato le gabbie sui film sottili, hanno riscaldato il materiale in un ambiente ossidante per bruciare questi componenti. Però, le gabbie non intrappolerebbero alcun gas.

"Abbiamo scoperto che il metallo deve essere allo stato metallico, " ha detto il primo autore Yixin Xu, uno studente laureato nel dipartimento di scienza dei materiali e ingegneria chimica presso la Stony Brook University. "Durante la combustione dei componenti organici, ossidiamo parzialmente il rutenio. Abbiamo bisogno di riscaldare nuovamente il materiale in idrogeno o in un altro ambiente riducente per riportare il metallo al suo stato metallico. Quindi, il metallo può agire come una sorgente di elettroni per neutralizzare il gas all'interno delle gabbie."

Prossimo, gli scienziati del CFN e i loro collaboratori della Stony Brook University hanno testato se il nuovo materiale avrebbe ancora intrappolato i gas. Fare così, hanno eseguito la spettroscopia fotoelettronica a raggi X a pressione ambiente (AP-XPS) presso la linea di luce In situ e Operando Soft X-ray Spectroscopy (IOS) presso la National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), un'altra struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE presso il Brookhaven Lab. In AP-XPS, I raggi X eccitano un campione, provocando l'emissione di elettroni dalla superficie. Un rivelatore registra il numero e l'energia cinetica degli elettroni emessi. Tracciando queste informazioni, gli scienziati possono dedurre la composizione chimica del campione e gli stati di legame chimico. In questo studio, i raggi X erano importanti non solo per le misurazioni ma anche per ionizzare il gas:qui, xeno. Hanno iniziato l'esperimento a temperatura ambiente e hanno gradualmente aumentato la temperatura, trovare l'intervallo ottimale per la cattura (da 350 a 530 gradi Fahrenheit). Al di fuori di questo intervallo, l'efficienza inizia a diminuire. A 890 gradi Fahrenheit, lo xeno intrappolato viene completamente rilasciato. Boscoboinik paragona questo complesso processo dipendente dalla temperatura all'apertura e chiusura di una porta di un ascensore.

"Immagina che la porta si apra e si chiuda estremamente velocemente, " ha detto Boscoboinik. "Dovresti correre estremamente veloce per entrare. Come un ascensore, le nanogabbie hanno una "bocca" di pori che si apre e si chiude. La velocità con cui le gabbie si aprono e si chiudono deve essere una buona corrispondenza con la velocità con cui gli ioni del gas riscaldato si muovono per massimizzare la possibilità che gli ioni entrino nelle gabbie e vengano neutralizzati".

A seguito di questi esperimenti, scienziati dell'Universidad Nacional de San Luis in Argentina e dell'Università della Pennsylvania hanno convalidato questa ipotesi della porta dell'ascensore. Applicando metodi Monte Carlo, tecniche matematiche per stimare possibili esiti di eventi incerti, hanno modellato la velocità più probabile degli ioni a diverse temperature del gas. Un altro collaboratore del Centro di catalisi per l'innovazione energetica ha calcolato le energie necessarie allo xeno per uscire dalle gabbie.

"Questi studi ci hanno fornito informazioni sugli aspetti meccanicistici del processo, soprattutto sugli effetti termici, " ha spiegato l'autore co-corrispondente e ricercatore postdottorato CFN Matheus Dorneles de Mello.

Passaggi successivi per il ridimensionamento

Ora, gli scienziati realizzeranno i materiali con un'area superficiale elevata (un paio di centinaia di metri quadrati) e vedranno se continuano a funzionare come desiderato. Studieranno anche modi più pratici per ionizzare il gas.

Il team sta valutando diverse potenziali applicazioni per la loro tecnologia. Per esempio, le nanogabbie potrebbero essere in grado di intrappolare gas nobili come xeno e krypton dall'aria in un modo più efficiente dal punto di vista energetico. Attualmente, questi gas vengono separati dall'aria mediante un processo ad alta intensità energetica in cui l'aria deve essere raffreddata a temperature estremamente basse.

Xenon e krypton sono usati per fabbricare molti prodotti, come l'illuminazione. Uno degli usi principali dello xeno è nelle lampade a scarica ad alta intensità, compresi alcuni fari bianchi luminosi per auto. Allo stesso modo, krypton viene utilizzato per le luci delle piste aeroportuali e i flash fotografici per la fotografia ad alta velocità.

Dati i calcoli teorici precedenti, il team ritiene che il loro processo dovrebbe anche essere in grado di intrappolare gas nobili radioattivi, compreso il radon. Si trovano comunemente negli scantinati e nei livelli inferiori degli edifici, il radon può danneggiare le cellule polmonari, potenzialmente portare al cancro. Questa capacità di intrappolare gas nobili radioattivi sarebbe rilevante per diverse applicazioni, come mitigare i gas radioattivi rilasciati, monitoraggio della non proliferazione nucleare, e la produzione di isotopi rilevanti dal punto di vista medico. Il team CFN sta esplorando l'applicazione medica in collaborazione con il programma di ricerca e produzione di isotopi medici a Brookhaven.

"Nella scienza della superficie, gli studi fondamentali spesso non portano subito a prodotti utili, " ha detto Boscoboinik. "Stiamo cercando di passare rapidamente a fare qualcosa di impatto con questi materiali aumentando il livello di complessità un passo alla volta".