Написано AZoNano 2019

Новый поворот в крио-ЭМ-визуализации показывает, что происходит внутри MOF, высокопористых наночастиц с большим потенциалом для хранения топлива, отделения газов и удаления углекислого газа из атмосферы.

Ученые из Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики и Стэнфордского университета сделали первые снимки молекул углекислого газа в молекулярной клетке – части высокопористой наночастицы, известной как MOF, или металлоорганической структуры, с большим потенциалом для разделения и хранения газов и жидкостей.

Изображения, сделанные на Крио-ЭМ-объектах Stanford-SLAC, показывают две конфигурации молекулы CO ₂ в ее клетке, которую ученые называют отношениями гость-хозяин; выявить, что клетка слегка расширяется при поступлении CO ₂ ; и увеличьте зубчатые края, где частицы MOF могут расти, добавив больше клеток.

«Это новаторское достижение, которое непременно даст беспрецедентное понимание того, как эти высокопористые структуры выполняют свои исключительные функции, и демонстрирует способность крио-ЭМ решать особенно сложную проблему 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 во главе с профессорами SLAC / Стэнфордского университета Йи Цуи и Вау Чиу описала исследование сегодня в журнале Matter .

Крошечные пятнышки с огромными поверхностями

MOF имеют наибольшую площадь поверхности из всех известных материалов. Один грамм, или три сотых унции, может иметь площадь поверхности, почти равную размеру двух футбольных полей, предлагая много места для гостевых молекул, чтобы проникнуть в миллионы клеток хозяина.

Несмотря на их огромный коммерческий потенциал и два десятилетия интенсивных, ускоряющихся исследований, MOF только сейчас начинают выходить на рынок. Ученые всего мира разрабатывают более 6000 новых типов частиц MOF в год, ища правильные комбинации структуры и химического состава для конкретных задач, таких как увеличение емкости газовых баллонов для хранения или улавливание и захоронение CO ₂ от дымовых труб для борьбы с изменением климата.

«По данным Межправительственной группы экспертов по изменению климата, ограничение глобального повышения температуры до 1,5 градусов Цельсия потребует какой-либо технологии улавливания углерода», – сказал Юзханг Ли, постдокторский исследователь из Стэнфорда и ведущий автор отчет. «Эти материалы могут захватывать большие количества CO ₂ и понимание того, где CO ₂ связывается внутри этих пористых каркасов, действительно важно при разработке материалов, которые это делают дешевле и эффективнее ».

Одним из наиболее мощных методов наблюдения материалов является просвечивающая электронная микроскопия, или ПЭМ, с помощью которой можно получать изображения с атомной детализацией. Но многие MOF и связи, которые удерживают гостевые молекулы внутри них, тают в пузырьки, когда подвергаются воздействию интенсивных электронных пучков, необходимых для этого типа изображения.

Несколько лет назад Цуй и Ли приняли метод, который использовался в течение многих лет для изучения биологических образцов: замораживать образцы, чтобы они лучше удерживались при электронной бомбардировке. Они использовали передовой инструмент ТЕМ в Стэнфордских Нано-Общих Учреждениях, чтобы исследовать образцы с мгновенным замерзанием, содержащие дендриты – похожие на пальцы образования металлического лития, которые могут пробить и повредить литий-ионные батареи – впервые в атомных деталях.

Атомные изображения, один электрон за один раз

В этом последнем исследовании Cui и Li использовали приборы на Крио-ЭМ-станциях Stanford-SLAC, которые имеют гораздо более чувствительные детекторы, которые могут принимать сигналы от отдельных электронов, проходящих через образец. Это позволило ученым делать изображения в атомных деталях, минимизируя воздействие электронного пучка.

MOF, который они изучали, называется ZIF-8. Он состоял из частиц диаметром всего 100 миллиардных долей метра; вам нужно выстроить около 900 из них, чтобы соответствовать ширине человеческого волоса. «У него высокий коммерческий потенциал, потому что он очень дешевый и его легко синтезировать», – сказал постдокторский исследователь из Стэнфорда Кеченг Ван, который сыграл ключевую роль в экспериментах. «Он уже используется для улавливания и хранения токсичных газов».

Cryo-EM не только позволяла им создавать сверхточные изображения с минимальным повреждением частиц, но также препятствовала выходу газа CO ₂ во время съемки. Получив изображение образца под двумя углами, исследователи смогли подтвердить положения двух из четырех мест, где, как считается, CO ₂ слабо удерживается на месте внутри своей клетки.

«Я был очень взволнован, когда увидел фотографии. Это блестящая работа », – сказал профессор Стэнфордского университета Роберт Синклер, эксперт по использованию ТЕА для изучения материалов, которые помогли интерпретировать результаты команды. «Фотосъемка молекул газа внутри MOF – невероятный шаг вперед».

Основное финансирование для этого исследования поступило из Национального института здравоохранения и Министерства энергетики.

Источник: https://www6.slac.stanford.edu/