Les scientifiques du laboratoire national de Brookhaven du département américain de l'Énergie (DOE) venaient de terminer une expérience avec une structure bidimensionnelle (2D) qu'ils ont synthétisée pour la recherche sur la catalyse lorsque, à leur grande surprise, ils ont découvert que des atomes de gaz argon s'étaient retrouvés piégés à l'intérieur des pores nanométriques de la structure. L'argon et d'autres gaz rares ont déjà été piégés dans des matériaux poreux tridimensionnels (3D), mais les immobiliser sur des surfaces n'avait été obtenu qu'en refroidissant les gaz à très basse température pour les condenser, ou en accélérant les ions gazeux pour les implanter directement dans les matériaux.

"Nous sommes la première équipe à piéger un gaz noble dans une structure poreuse 2D à température ambiante, " dit Anibal Boscoboinik, un scientifique des matériaux au Brookhaven Lab's Center for Functional Nanomaterials (CFN), une installation d'utilisateurs du DOE Office of Science où une partie de la recherche a été menée.

Cette réalisation, rapporté dans un article publié aujourd'hui dans Communication Nature , permettra aux scientifiques d'utiliser des outils traditionnels de science des surfaces, tels que la spectroscopie d'absorption de photoélectrons à rayons X et de réflexion infrarouge, pour effectuer des études détaillées d'atomes de gaz isolés en confinement. Les connaissances acquises grâce à ces recherches pourraient éclairer la conception, sélection, et l'amélioration des matériaux adsorbants et des membranes pour la capture de gaz tels que le krypton et le xénon radioactifs générés par les centrales nucléaires.

L'équipe de scientifiques du Brookhaven Lab, Université Stony Brook, et l'Université nationale de San Luis en Argentine a synthétisé de l'aluminosilicate 2D (composé d'aluminium, silicium, et oxygène) sur une surface métallique de ruthénium. Les scientifiques ont créé ce matériau de catalyseur modèle 2D pour étudier les processus chimiques qui se produisent dans le catalyseur 3D utilisé industriellement (appelé zéolite), qui a une structure en forme de cage avec des pores ouverts et des canaux de la taille de petites molécules. Parce que la surface catalytiquement active est enfermée dans ces cavités, il est difficile de sonder avec des outils traditionnels de science des surfaces. Le matériau analogue 2D a la même composition chimique et le même site actif que la zéolite poreuse 3D mais son site actif est exposé sur une surface plane, qui est plus facile d'accès avec de tels outils.

Pour confirmer que les atomes d'argon étaient piégés dans ces "nanocages, " les scientifiques ont exposé le matériau 2D au gaz argon et mesuré l'énergie cinétique et le nombre d'électrons éjectés de la surface après l'avoir frappé avec un faisceau de rayons X. Ils ont effectué ces études à l'ancienne National Synchrotron Light Source I (NSLS-I) et son installation qui lui succède, NSLS-II (les deux installations pour les utilisateurs du DOE Office of Science à Brookhaven), avec un instrument développé et exploité par le CFN. Parce que les énergies de liaison des électrons du noyau sont uniques à chaque élément chimique, les spectres obtenus révèlent la présence et la concentration d'éléments à la surface. Dans une autre expérience menée au CFN, ils ont fait frôler un faisceau de lumière infrarouge sur la surface tout en introduisant du gaz argon. Lorsque les atomes absorbent la lumière d'une longueur d'onde spécifique, ils subissent des changements dans leurs mouvements vibratoires qui sont spécifiques à la structure moléculaire et aux liaisons chimiques de cet élément.

Pour mieux comprendre comment le cadre lui-même contribue à la mise en cage, les scientifiques ont étudié le mécanisme de piégeage avec des films de silicate, qui sont de structure similaire aux aluminosilicates mais ne contiennent pas d'aluminium. Dans ce cas, ils ont découvert que tout l'argon n'est pas piégé dans les cages - une petite quantité va à l'interface entre la charpente et la surface du ruthénium. Cette interface est trop comprimée dans les films d'aluminosilicate pour que l'argon puisse y pénétrer.

Après avoir étudié l'adsorption, les scientifiques ont examiné le processus inverse de désorption en augmentant progressivement la température jusqu'à ce que les atomes d'argon soient complètement libérés de la surface à 350 degrés Fahrenheit. Ils ont corroboré leurs spectres expérimentaux avec des calculs théoriques de la quantité d'énergie associée à l'argon entrant et sortant des cages.

Dans une autre expérience de spectroscopie infrarouge menée dans la division de chimie de Brookhaven, ils ont exploré comment la présence d'argon dans les cages affecte le passage des molécules de monoxyde de carbone à travers la charpente. Ils ont découvert que l'argon restreint le nombre de molécules qui s'adsorbent sur la surface du ruthénium.

"En plus de piéger de petits atomes, les cages pourraient être utilisées comme tamis moléculaires pour filtrer le monoxyde de carbone et d'autres petites molécules, comme l'hydrogène et l'oxygène, " a déclaré le premier auteur Jian-Qiang Zhong, un chercheur associé du CFN.

Alors que leur objectif principal à l'avenir sera de continuer à étudier les processus catalytiques de la zéolite sur le matériau 2D, les scientifiques souhaitent connaître l'impact de différentes tailles de pores sur la capacité des matériaux à piéger et à filtrer les molécules de gaz.

« Alors que nous cherchons à mieux comprendre le matériel, des découvertes intéressantes et inattendues continuent d'affluer, " a déclaré Boscoboinik. " La capacité d'utiliser des méthodes de science des surfaces pour comprendre comment un seul atome de gaz se comporte lorsqu'il est confiné dans un très petit espace ouvre de nombreuses questions intéressantes auxquelles les chercheurs doivent répondre. "