Ученые из Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики США и Стэнфордского университета сделали первые снимки молекул углекислого газа внутри молекулярной клетки - части высокопористой наночастицы, известной как MOF, или металлоорганический каркас., с большим потенциалом для разделения и хранения газов и жидкостей.
Изображения, сделанные в крио-ЭМ-центре Stanford-SLAC, показывают две конфигурации молекулы CO2 в клетке, что ученые называют отношениями «гость-хозяин»; показывают, что клетка слегка расширяется при поступлении CO2; и увеличьте зубчатые края, где частицы MOF могут расти, добавив больше клеток.
«Это новаторское достижение, которое, несомненно, принесет беспрецедентное понимание того, как эти высокопористые структуры выполняют свои исключительные функции, и демонстрирует возможности крио-ЭМ для решения особенно сложной проблемы в химии MOF», сказал Омар Яги, профессор Калифорнийского университета в Беркли и пионер в этой области химии, который не принимал участия в исследовании.
Исследовательская группа, возглавляемая профессорами SLAC/Stanford Yi Cui и Wah Chiu, описала исследование сегодня в журнале Matter.
Крошечные пятнышки с огромными поверхностями
МОК имеют самую большую площадь поверхности среди всех известных материалов. Один грамм, или три сотые унции, может иметь площадь поверхности размером почти с два футбольных поля, предлагая достаточно места для гостевых молекул, чтобы проникнуть в миллионы клеток-хозяев.
Несмотря на огромный коммерческий потенциал и два десятилетия интенсивных, ускоряющихся исследований, MOF только сейчас начинают выходить на рынок. Ученые по всему миру разрабатывают более 6 000 новых типов частиц MOF в год, ища правильные комбинации структуры и химического состава для конкретных задач, таких как увеличение вместимости бензобаков или улавливание и захоронение CO2 из дымовых труб для борьбы с климатом. изменить.
«Согласно Межправительственной группе экспертов по изменению климата, для ограничения роста глобальной температуры до 1,5 градусов по Цельсию потребуется какая-то технология улавливания углерода», - сказал Юйчжан Ли, научный сотрудник Стэнфордского университета и ведущий автор отчета. «Эти материалы могут улавливать большие количества CO2, и понимание того, где CO2 связывается внутри этих пористых каркасов, действительно важно для разработки материалов, которые делают это дешевле и эффективнее».
Одним из самых мощных методов наблюдения за материалами является просвечивающая электронная микроскопия, или ПЭМ, которая позволяет получать изображения с точностью до атома. Но многие MOF и связи, которые удерживают гостевые молекулы внутри них, превращаются в капли под воздействием интенсивных электронных лучей, необходимых для этого типа визуализации.
Несколько лет назад Цуй и Ли применили метод, который уже много лет используется для изучения биологических образцов: образцы замораживают, чтобы они лучше выдерживали воздействие электронной бомбардировки. Они использовали усовершенствованный прибор TEM в Stanford Nano Shared Diseases для исследования мгновенно замороженных образцов, содержащих дендриты - пальцевидные наросты металлического лития, которые могут пробивать и повреждать литий-ионные батареи - впервые в атомных деталях.
Атомные образы, по одному электрону за раз
Для этого последнего исследования Цуй и Ли использовали приборы в крио-ЭМ-центре Stanford-SLAC, которые имеют гораздо более чувствительные детекторы, способные улавливать сигналы от отдельных электронов, проходящих через образец. Это позволило ученым делать изображения с атомарной детализацией при минимальном воздействии электронного луча.
Изучаемый ими MOF называется ZIF-8. Он состоял из частиц диаметром всего в 100 миллиардных долей метра; вам нужно выстроить около 900 из них, чтобы они соответствовали ширине человеческого волоса. «У него высокий коммерческий потенциал, потому что он очень дешевый и его легко синтезировать», - сказал научный сотрудник Стэнфордского университета Кеченг Ван, сыгравший ключевую роль в экспериментах. «Он уже используется для улавливания и хранения токсичных газов».
Крио-ЭМ не только позволил им делать сверхчеткие изображения с минимальным повреждением частиц, но также предотвратил утечку газа CO2 во время съемки. Сфотографировав образец под двумя углами, исследователи смогли подтвердить положение двух из четырех участков, где CO2, как считается, слабо удерживается внутри клетки.
«Я был очень взволнован, когда увидел фотографии. Это блестящая работа», - сказал профессор Стэнфордского университета Роберт Синклер, эксперт по использованию ТЕМ для изучения материалов, который помог интерпретировать результаты группы.«Сфотографировать молекулы газа внутри MOF - невероятный шаг вперед».
Основное финансирование этого исследования поступило от Национального института здравоохранения и Министерства энергетики.