Los científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. DOE acababan de terminar un experimento con una estructura bidimensional 2D que sintetizaron para la investigación de catálisis cuando, para su sorpresa, descubrieron que los átomos de gas argón habían quedado atrapadosdentro de los poros de tamaño nanométrico de la estructura. El argón y otros gases nobles han sido atrapados previamente en materiales porosos tridimensionales 3D, pero la inmovilización en las superficies solo se logró enfriando los gases a temperaturas muy bajas para condensarlos, o acelerandoiones de gas para implantarlos directamente en los materiales.
"Somos el primer equipo en atrapar un gas noble en una estructura porosa 2D a temperatura ambiente", dijo Anibal Boscoboinik, científico de materiales en el Centro de Nanomateriales Funcionales CFN del Laboratorio Brookhaven, una Instalación de Usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE, donde partede la investigación se realizó.
Este logro, reportado en un artículo publicado hoy en Comunicaciones de la naturaleza , permitirá a los científicos utilizar herramientas tradicionales de ciencias de la superficie, como el fotoelectrón de rayos X y la espectroscopía de absorción de reflexión infrarroja, para realizar estudios detallados de átomos de un solo gas en confinamiento. El conocimiento obtenido de dicha investigación podría informar el diseño,selección y mejora de materiales adsorbentes y membranas para capturar gases como el criptón radiactivo y el xenón generados por las centrales nucleares.
El equipo de científicos del Brookhaven Lab, la Universidad Stony Brook y la Universidad Nacional de San Luis en Argentina sintetizó películas de aluminosilicato 2D compuesto de aluminio, silicio y oxígeno sobre una superficie metálica de rutenio. Los científicos crearon esta 2Dmodele el material del catalizador para estudiar los procesos químicos que ocurren en el catalizador 3D utilizado industrialmente llamado zeolita, que tiene una estructura similar a una jaula con poros abiertos y canales del tamaño de moléculas pequeñas. Debido a que la superficie catalíticamente activa está encerrada dentro de estas cavidades,es difícil sondear con herramientas tradicionales de ciencia de superficies. El material analógico 2D tiene la misma composición química y sitio activo que la zeolita porosa 3D, pero su sitio activo está expuesto en una superficie plana, que es más fácil de acceder con tales herramientas.
Para confirmar que los átomos de argón estaban atrapados en estas "nano jaulas", los científicos expusieron el material 2D al gas argón y midieron la energía cinética y el número de electrones expulsados de la superficie después de golpearlo con un haz de rayos X. Realizaronestos estudios en la antigua Fuente de luz sincrotrón nacional I NSLS-I y su instalación sucesora, NSLS-II ambas instalaciones de usuario de la Oficina de Ciencia de DOE en Brookhaven, con un instrumento desarrollado y operado por CFN.los electrones centrales son únicos para cada elemento químico, los espectros resultantes revelan la presencia y concentración de elementos en la superficie. En un experimento separado realizado en el CFN, rozaron un haz de luz infrarroja sobre la superficie al introducir gas argón. Cuando los átomos absorbena la luz de una longitud de onda específica, experimentan cambios en sus movimientos vibratorios que son específicos de la estructura molecular y los enlaces químicos de ese elemento.
Para comprender mejor cómo el marco en sí mismo contribuye al enjaulamiento, los científicos investigaron el mecanismo de captura con películas de silicato, que son similares en estructura a los aluminosilicatos pero no contienen aluminio. En este caso, descubrieron que no todosel argón queda atrapado en las jaulas: una pequeña cantidad va a la interfaz entre el marco y la superficie de rutenio. Esta interfaz está demasiado comprimida en las películas de aluminosilicato para que el argón pueda introducirse.
Después de estudiar la adsorción, los científicos examinaron el proceso inverso de desorción aumentando gradualmente la temperatura hasta que los átomos de argón se liberaron por completo de la superficie a 350 grados Fahrenheit. Corroboraron sus espectros experimentales con cálculos teóricos de la cantidad de energía asociada con la entrada de argóny dejando las jaulas.
En otro experimento de espectroscopía infrarroja realizado en la División de Química de Brookhaven, exploraron cómo la presencia de argón en las jaulas afecta el paso de las moléculas de monóxido de carbono a través del marco. Descubrieron que el argón restringe el número de moléculas que se adsorben en la superficie de rutenio.
"Además de atrapar átomos pequeños, las jaulas podrían usarse como tamices moleculares para filtrar monóxido de carbono y otras moléculas pequeñas, como hidrógeno y oxígeno", dijo el primer autor Jian-Qiang Zhong, investigador asociado de CFN.
Si bien su objetivo principal en el futuro será continuar investigando los procesos catalíticos de zeolita en el material 2D, los científicos están interesados en aprender el impacto de los diferentes tamaños de poro en la capacidad de los materiales para atrapar y filtrar moléculas de gas.
"A medida que buscamos comprender mejor el material, surgen hallazgos interesantes e inesperados", dijo Boscoboinik. "La capacidad de utilizar métodos de ciencias de la superficie para comprender cómo se comporta un solo átomo de gas cuando está confinado en un espacio muy pequeñoel espacio abre muchas preguntas interesantes para que los investigadores respondan "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Brookhaven . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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