Des scientifiques du SLAC National Accelerator Laboratory du ministère de l'Énergie et de l'Université de Stanford ont pris les premières images de molécules de dioxyde de carbone dans une cage moléculaire, faisant partie d'une nanoparticule hautement poreuse connue sous le nom de MOF, ou charpente métallo-organique, avec un grand potentiel de séparation et de stockage de gaz et de liquides.

Les images, fabriqué dans les installations Cryo-EM de Stanford-SLAC, montrent deux configurations de la molécule de CO2 dans sa cage, dans ce que les scientifiques appellent une relation invité-hôte; révèlent que la cage se dilate légèrement à mesure que le CO2 pénètre; et zoomez sur les bords déchiquetés où les particules MOF peuvent se développer en ajoutant plus de cages.

"Il s'agit d'une réalisation révolutionnaire qui apportera à coup sûr des informations sans précédent sur la manière dont ces structures hautement poreuses remplissent leurs fonctions exceptionnelles, et il démontre la puissance de cryo-EM pour résoudre un problème particulièrement difficile en chimie MOF, " dit Omar Yaghi, professeur à l'Université de Californie, Berkeley et pionnier dans ce domaine de la chimie, qui n'a pas participé à l'étude.

L'équipe de recherche, dirigé par les professeurs SLAC/Stanford Yi Cui et Wah Chiu, a décrit l'étude aujourd'hui dans le journal Question .

De minuscules taches avec d'énormes surfaces

Les MOF ont les plus grandes surfaces de tous les matériaux connus. Un seul gramme, ou trois centièmes d'once, peut avoir une superficie proche de la taille de deux terrains de football, offrant beaucoup d'espace pour que les molécules invitées pénètrent dans des millions de cages hôtes.

Malgré leur énorme potentiel commercial et deux décennies d'activité intense, accélérer la recherche, Les MOF commencent tout juste à arriver sur le marché. Les scientifiques du monde entier en fabriquent plus de 6, 000 nouveaux types de particules MOF par an, rechercher les bonnes combinaisons de structure et de chimie pour des tâches particulières, comme l'augmentation de la capacité de stockage des réservoirs de gaz ou le captage et l'enfouissement du CO2 des cheminées pour lutter contre le changement climatique.

« Selon le Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat, limiter l'augmentation de la température mondiale à 1,5 degré Celsius nécessitera une certaine forme de technologie de capture du carbone, " dit Yuzhang Li, chercheur postdoctoral à Stanford et auteur principal du rapport. « Ces matériaux ont le potentiel de capter de grandes quantités de CO2, et comprendre où le CO2 est lié à l'intérieur de ces cadres poreux est vraiment important dans la conception de matériaux qui le font à moindre coût et plus efficacement. »

L'une des méthodes les plus puissantes pour observer les matériaux est la microscopie électronique à transmission, ou TEM, qui peut faire des images en détail atome par atome. Mais de nombreux MOF, et les liaisons qui retiennent les molécules invitées à l'intérieur, fondre en gouttes lorsqu'il est exposé aux faisceaux d'électrons intenses nécessaires pour ce type d'imagerie.

Il y a quelques années, Cui et Li ont adopté une méthode utilisée depuis de nombreuses années pour étudier les échantillons biologiques :congeler les échantillons afin qu'ils résistent mieux au bombardement électronique. Ils ont utilisé un instrument TEM avancé dans les installations partagées de Stanford Nano pour examiner pour la première fois des échantillons surgelés contenant des dendrites, des excroissances en forme de doigts de lithium métal qui peuvent percer et endommager les batteries lithium-ion, avec des détails atomiques.

Images atomiques, un électron à la fois

Pour cette dernière étude, Cui et Li ont utilisé des instruments dans les installations Cryo-EM de Stanford-SLAC, qui ont des détecteurs beaucoup plus sensibles qui peuvent capter les signaux des électrons individuels traversant un échantillon. Cela a permis aux scientifiques de créer des images avec des détails atomiques tout en minimisant l'exposition au faisceau d'électrons.

Le MOF qu'ils ont étudié s'appelle ZIF-8. Il s'agissait de particules de seulement 100 milliardièmes de mètre de diamètre; vous auriez besoin d'en aligner environ 900 pour correspondre à la largeur d'un cheveu humain. "Il a un potentiel commercial élevé car il est très bon marché et facile à synthétiser, " a déclaré Kecheng Wang, chercheur postdoctoral à Stanford, qui a joué un rôle clé dans les expériences. "Il est déjà utilisé pour capturer et stocker des gaz toxiques."

Cryo-EM leur permet non seulement de créer des images très nettes avec un minimum de dommages aux particules, mais il a également empêché le gaz CO2 de s'échapper pendant que sa photo était prise. En imageant l'échantillon sous deux angles, les enquêteurs ont pu confirmer les positions de deux des quatre sites où le CO2 serait faiblement maintenu en place à l'intérieur de sa cage.

"J'étais vraiment excité quand j'ai vu les photos. C'est un travail brillant, " a déclaré le professeur de Stanford Robert Sinclair, un expert dans l'utilisation de la MET pour étudier les matériaux qui a aidé à interpréter les résultats de l'équipe. "Prendre des photos des molécules de gaz à l'intérieur des MOF est un pas en avant incroyable."