Un equipo internacional de científicos e ingenieros, dirigido por el Profesor Asociado de la Universidad de Minnesota K. Andre Mkhoyan y el Profesor Emérito Michael Tsapatsis actualmente, Profesor Distinguido Bloomberg en la Universidad Johns Hopkins, han hecho un descubrimiento que podría avanzar aún más en el uso denanoláminas de zeolita ultradelgadas, que se utilizan como filtros moleculares especializados. El descubrimiento podría mejorar la eficiencia en la producción de gasolina, plásticos y biocombustibles.
El descubrimiento revolucionario de defectos unidimensionales en una estructura bidimensional de material poroso una zeolita llamada MFI se logró utilizando una potente microscopía electrónica de transmisión de alta resolución TEM en el campus de las Ciudades Gemelas de la Universidad de Minnesota.Los investigadores descubrieron que estos defectos unidimensionales daban como resultado una estructura única reforzada de nano-hojas que cambiaba drásticamente las propiedades de filtración de la nano-hoja.
Los hallazgos se publican en Materiales de la naturaleza , una revista científica revisada por pares.
"La obtención de imágenes TEM de cristal de zeolita delgada a escala atómica ha sido un desafío de larga data ya que estos cristales se dañan fácilmente bajo los electrones de alta energía, que son necesarios para obtener imágenes a escala atómica", dijo Mkhoyan, experto enTEM avanzado y Ray D. y Mary T. Johnson / Mayon Plastics Chair en el Departamento de Ingeniería Química y Ciencia de Materiales en la Facultad de Ciencia e Ingeniería de la Universidad de Minnesota. "Requiere una comprensión profunda de los mecanismos de daño del haz para la zeolitacristales y las dosis de haz de electrones que puede tomar la zeolita. Este trabajo superó los límites de nuestros microscopios electrónicos, donde podemos producir de manera confiable imágenes de resolución atómica de nanoesferas de zeolita extremadamente delgadas de solo 3 nanómetros de espesor con una hoja identificableintercrecimientos dimensionales "
Prashant Kumar, graduado en la Facultad de Ciencias e Ingeniería de las Ciudades Gemelas de la Universidad de Minnesota, detectó las pequeñas diferencias entre los dos materiales ver imagen adjunta, después de casi cinco años de investigación.
"Me fascinaron los hermosos diseños simétricos en el cristal MFI a lo largo de mi trabajo de doctorado", dijo Kumar, autor principal del estudio. "Después de mirar imágenes ruidosas en el TEM durante incontables horas, finalmente vila simetría que se rompe en las imágenes TEM de nanoescapas MFI: sabía que esto era inusual "
A pesar de las sutiles diferencias, este tejido de líneas de una zeolita dentro de otra tiene consecuencias pronunciadas en la capacidad de las nanohojas para reconocer y transportar selectivamente moléculas que permiten separaciones selectivas y catálisis. Profesores de la Universidad de Minnesota Traian Dumitrica ingeniería mecánica e Ilja Siepmann química lideró las simulaciones para probar este patrón y rendimiento. Sus hallazgos revelaron que los materiales tejidos son menos sensibles al estrés y más selectivos en la separación de moléculas en función del tamaño y la forma.
Las membranas hechas de estas nanohojas mejoradas para las simulaciones de laboratorio fueron fabricadas por un grupo de investigación dirigido por Tsapatsis, y Benjamin McCool, jefe de separaciones y química de procesos de ExxonMobil, las probó en condiciones industriales. Esta última resultó en una filtración récordrendimiento: p-xileno y o-xileno separados a una eficiencia cinco veces mayor que el grupo de Tsapatsis ha informado hasta la fecha.
la zeolita MFI es una estructura porosa de átomos de silicio y oxígeno y se sabe que crece con estructuras unidimensionales, o una zeolita llamada MEL, en forma masiva. Sin embargo, estos defectos nunca se han fabricado o intercalado específicamente en dos dimensionesNanosheets.
"La fabricación de membranas de película delgada ultra selectiva y catalizadores jerárquicos ajustando la frecuencia y la distribución de los crecimientos de estructuras porosas es un concepto introducido por nuestro grupo de investigación hace una década", dijo Tsapatsis. "El descubrimiento por TEM de unidimensionallos crecimientos en las nanohojas bidimensionales y las implicaciones prácticas sugeridas por el modelado llevan el potencial de este concepto a un nuevo nivel y sugieren nuevas oportunidades para la síntesis dirigida que no habíamos imaginado posible ".
Su equipo ahora espera crear heteroestructuras de nano hojas MFI-MEL que puedan maximizar el contenido de MEL e impulsar el rendimiento de filtración de las películas delgadas a una eficiencia aún mayor, según lo predicho por las simulaciones de laboratorio. Para Mkhoyan, quien ejecuta el análisis analítico de la Ulaboratorio de microscopía electrónica, donde la investigación a escala atómica es una rutina diaria: el descubrimiento revolucionario es una oportunidad para mejorar aún más la forma en que se utilizan los microscopios para estudiar los nanomateriales en detalle a nivel atómico.
Los miembros del equipo de investigación incluyen estudiantes de doctorado y becarios posdoctorales Prashant Kumar, Dae Woo Kim, Neel Rangnekar, Supriya Ghosh, Han Zhang, Meera Shete y Qiang Xiao; miembros de la facultad K. Andre Mkhoyan Departamento deIngeniería química y ciencia de los materiales, Evgenii Fetisov y la profesora Ilja Siepmann Departamento de Química; y Hao Xu y Traian Dumitrica Departamento de Ingeniería Mecánica; el investigador asociado principal Benjamin McCool ExxonMobil; y el profesor emérito Michael Tsapatsis Johns Hopkins.
Esta investigación fue financiada principalmente por la National Science Foundation, con un apoyo parcial para ciertas caracterizaciones y cálculos por parte del Departamento de Energía de EE. UU. Y una variedad de socios de la Universidad de Minnesota.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Minnesota . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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