Une équipe internationale de scientifiques et d'ingénieurs, dirigé par le professeur agrégé K. Andre Mkhoyan de l'Université du Minnesota et le professeur émérite Michael Tsapatsis (actuellement, un Bloomberg Distinguished Professor à l'Université Johns Hopkins), ont fait une découverte qui pourrait faire avancer l'utilisation de nanofeuillets de zéolite ultra-minces, qui sont utilisés comme filtres moléculaires spécialisés. La découverte pourrait améliorer l'efficacité de la production d'essence, plastiques, et les biocarburants.

La découverte révolutionnaire de défauts unidimensionnels dans une structure bidimensionnelle de matériau poreux (une zéolite appelée MFI) a été réalisée à l'aide d'une puissante microscopie électronique à transmission (MET) à haute résolution sur le campus de l'Université du Minnesota Twin Cities. En imageant la structure atomique des nanofeuillets MFI avec un niveau de détail sans précédent, les chercheurs ont découvert que ces défauts unidimensionnels résultaient en une structure de nanofeuille renforcée unique qui modifiait considérablement les propriétés de filtration de la nanofeuille.

Les résultats sont publiés dans Matériaux naturels .

"L'imagerie MET de cristaux de zéolite minces à l'échelle atomique est un défi de longue date car ces cristaux sont facilement endommagés sous les électrons de haute énergie, nécessaires à l'imagerie à l'échelle atomique, " dit Mkhoyan, un expert en MET avancé et titulaire de la chaire Ray D. et Mary T. Johnson/Mayon Plastics du département de génie chimique et de science des matériaux du College of Science and Engineering de l'Université du Minnesota. "Cela nécessite une compréhension approfondie des mécanismes d'endommagement du faisceau pour les cristaux de zéolite et des doses de faisceau d'électrons que la zéolite peut prendre. Ce travail a repoussé les limites de nos microscopes électroniques, où nous pouvons produire de manière fiable des images à résolution atomique de ces nanofeuillets de zéolite extrêmement minces (seulement 3 nanomètres d'épaisseur) avec des intercroissances unidimensionnelles identifiables."

Les différences infimes entre les deux matériaux (voir image ci-jointe) ont été détectées par Prashant Kumar, diplômé de l'Université du Minnesota Twin Cities College of Science and Engineering, après près de cinq ans de recherche.

"J'ai été fasciné par les magnifiques motifs symétriques du cristal MFI tout au long de mes travaux de doctorat, " dit Kumar, un auteur principal de l'étude. "Après avoir regardé des images bruitées dans le MET pendant d'innombrables heures, J'ai finalement vu la rupture de symétrie dans les images MET des nanofeuillets MFI - je savais que c'était inhabituel."

Malgré les différences subtiles, ce tricotage de lignes d'une zéolithe dans une autre a des conséquences prononcées sur la capacité des nanofeuillets à reconnaître et à transporter sélectivement des molécules permettant des séparations sélectives et la catalyse. Les professeurs de l'Université du Minnesota, Traian Dumitrica (génie mécanique) et Ilja Siepmann (chimie) ont dirigé les simulations pour tester ce modèle et ses performances. Leurs résultats ont révélé que les matériaux tricotés sont moins sensibles au stress et plus sélectifs dans la séparation des molécules en fonction de la taille et de la forme.

Les membranes fabriquées à partir de ces nanofeuilles améliorées pour les simulations en laboratoire ont été fabriquées par un groupe de recherche dirigé par Tsapatsis, et ils ont également été testés dans des conditions industrielles par Benjamin McCool, responsable des séparations et de la chimie des procédés chez ExxonMobil. Ce dernier a entraîné des performances de filtration record - le p-xylène et l'o-xylène séparés à une efficacité cinq fois plus élevée que ce que le groupe de Tsapatsis a rapporté à ce jour.

La zéolite MFI est une structure poreuse d'atomes de silicium et d'oxygène et est connue auparavant pour croître avec des structures unidimensionnelles, ou une zéolithe appelée MEL, en vrac. Cependant, ces défauts n'ont jamais été spécifiquement fabriqués ou intégrés dans des nanofeuillets bidimensionnels.

"Fabriquer des membranes à couches minces ultra-sélectives et des catalyseurs hiérarchiques en ajustant finement la fréquence et la distribution des intercroissances de structures poreuses est un concept introduit par notre groupe de recherche il y a une décennie, " a déclaré Tsapatsis. " La découverte par MET d'intercroissances unidimensionnelles dans des nanofeuillets bidimensionnels et les implications pratiques suggérées par la modélisation portent le potentiel de ce concept à un nouveau niveau et suggèrent de nouvelles opportunités de synthèse ciblée que nous n'avions pas imaginées possibles. "

Son équipe espère maintenant créer des hétérostructures de nanofeuillets MFI-MEL qui peuvent maximiser le contenu MEL et pousser les performances de filtration des films minces à une efficacité encore plus élevée, comme prédit par les simulations de laboratoire. Pour Mkhoyan, qui dirige le laboratoire de microscopie électronique analytique de l'U, là où la recherche à l'échelle atomique est une routine quotidienne, cette découverte révolutionnaire est l'occasion d'améliorer encore la façon dont les microscopes sont utilisés pour étudier les nanomatériaux dans les moindres détails au niveau atomique.