Au cours des dernières années, les scientifiques ont démontré à quel point, en forme de cage, les structures poreuses faites de silicium et d'oxygène et mesurant seulement des milliardièmes de mètre peuvent piéger des gaz nobles comme l'argon, krypton, et xénon. Cependant, pour que ces nanocages de silice soient utiles en pratique - par exemple, pour améliorer l'efficacité de la production d'énergie nucléaire, ils doivent être étendus à partir de leurs versions de laboratoire. Les scientifiques ont maintenant fait un pas en avant en faisant sortir cette technologie du laboratoire et dans le monde réel. Comme ils l'ont récemment signalé dans Petit, les matériaux disponibles dans le commerce peuvent fournir une plate-forme potentiellement évolutive pour piéger les gaz rares.

"Fabriquer un centimètre carré de nos nanocages à l'échelle du laboratoire, qui ne peut piéger que des nanogrammes de gaz, nous prend quelques semaines et nécessite des composants et des équipements de démarrage coûteux, " a déclaré l'auteur co-correspondant Anibal Boscoboinik, un scientifique des matériaux au sein du groupe Interface Science and Catalysis au Center for Functional Nanomaterials (CFN), une installation des utilisateurs du Bureau des sciences du Département de l'énergie des États-Unis (DOE) au Laboratoire national de Brookhaven. « Il existe des procédés commerciaux pour synthétiser des tonnes de ces nanocages de silice, qui sont si peu coûteux qu'ils sont utilisés comme additifs dans le béton. Cependant, ces matériaux commerciaux ne piègent pas les gaz rares, donc un défi pour faire évoluer notre technologie était de comprendre ce qui est spécial à propos de nos nanocages. »

Une découverte inattendue

Boscoboinik dirige la recherche sur les nanocages au CFN depuis 2014, suite à un acte de sérendipité. Lui et ses collègues venaient de terminer une expérience de catalyse avec des nanocages de silice déposées au-dessus d'un monocristal de ruthénium métallique lorsqu'ils ont remarqué que des atomes individuels de gaz argon étaient piégés à l'intérieur des pores nanométriques de la structure. Avec cette découverte accidentelle, ils sont devenus le premier groupe à piéger un gaz noble à l'intérieur d'une structure poreuse bidimensionnelle (2D) à température ambiante. En 2019, ils ont piégé deux autres gaz nobles à l'intérieur des cages :le krypton et le xénon. Dans cette deuxième étude, ils ont appris que pour que le piégeage fonctionne, deux processus devaient se produire :les atomes de gaz devaient être convertis en ions (atomes chargés électriquement) avant d'entrer dans les cages, et les cages devaient être en contact avec un support métallique pour neutraliser les ions une fois à l'intérieur des cages, les piégeant efficacement en place.

Avec cette compréhension, en 2020, Boscoboinik et son équipe ont déposé une demande de brevet, maintenant en attente. Cette même année, à travers son Fonds de commercialisation de la technologie (TCF), le DOE Office of Technology Transitions a sélectionné une proposition de recherche soumise par le CFN en collaboration avec le Brookhaven Nuclear Science and Technology Department et Forge Nano pour étendre les nanocages développées en laboratoire. L'objectif de cette mise à l'échelle est de maximiser la surface de piégeage du krypton et du xénon, les deux produits de la fission nucléaire de l'uranium. Leur capture est souhaitable pour améliorer le rendement des réacteurs nucléaires, prévenir les défaillances opérationnelles dues à l'augmentation des pressions de gaz, réduire les déchets nucléaires radioactifs, et détecter les essais d'armes nucléaires.

Un début de mise à l'échelle

Parallèlement à l'effort du TCF, l'équipe du CFN a commencé de manière indépendante à explorer comment ils pourraient mettre à l'échelle les nanocages pour des applications pratiques, nucléaire et au-delà. Au cours de leurs explorations, l'équipe du CFN a trouvé l'entreprise qui fabrique de grandes quantités de nanocages de silice, sous forme de poudre. Au lieu de déposer les nanocages sur des monocristaux de ruthénium, l'équipe les a déposés sur des couches minces de ruthénium, qui sont moins coûteux. Contrairement aux nanocages en laboratoire, ces nanocages ont des composants organiques (contenant du carbone). Donc, après dépôt des cages sur les films minces, ils ont chauffé le matériau dans un environnement oxydant pour brûler ces composants. Cependant, les cages ne piégeraient aucun gaz.

"Nous avons constaté que le métal doit être à l'état métallique, " a déclaré le premier auteur Yixin Xu, un étudiant diplômé du département de science des matériaux et de génie chimique de l'Université Stony Brook. "En brûlant les composants organiques, nous oxydons partiellement le ruthénium. Nous devons réchauffer le matériau à nouveau dans de l'hydrogène ou dans un autre environnement réducteur pour ramener le métal à son état métallique. Puis, le métal peut agir comme une source d'électrons pour neutraliser le gaz à l'intérieur des cages."

Prochain, les scientifiques du CFN et leurs collaborateurs de l'Université Stony Brook ont ​​testé si le nouveau matériau emprisonnerait encore les gaz. Faire cela, ils ont effectué la spectroscopie photoélectronique à rayons X à pression ambiante (AP-XPS) sur la ligne de faisceau de spectroscopie à rayons X in situ et Operando (IOS) à la National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), une autre installation d'utilisateurs du DOE Office of Science à Brookhaven Lab. Dans AP-XPS, Les rayons X excitent un échantillon, provoquant l'émission d'électrons par la surface. Un détecteur enregistre le nombre et l'énergie cinétique des électrons émis. En traçant ces informations, les scientifiques peuvent déduire la composition chimique de l'échantillon et les états de liaison chimique. Dans cette étude, les rayons X n'étaient pas seulement importants pour les mesures mais aussi pour ioniser le gaz - ici, xénon. Ils ont commencé l'expérience à température ambiante et ont progressivement augmenté la température, trouver la plage optimale pour le piégeage (350 à 530 degrés Fahrenheit). En dehors de cette plage, l'efficacité commence à diminuer. À 890 degrés Fahrenheit, le xénon piégé est complètement libéré. Boscoboinik compare ce processus complexe dépendant de la température à l'ouverture et à la fermeture d'une porte d'ascenseur.

"Imaginez que la porte s'ouvre et se ferme extrêmement rapidement, " a déclaré Boscoboinik. " Il faudrait courir extrêmement vite pour entrer à l'intérieur. Comme un ascenseur, les nanocages ont une "bouche" de pores qui s'ouvre et se ferme. La vitesse à laquelle les cages s'ouvrent et se ferment doit correspondre à la vitesse à laquelle les ions gazeux chauffés se déplacent pour maximiser les chances que les ions pénètrent dans les cages et soient neutralisés. »

Suite à ces expériences, des scientifiques de l'Universidad Nacional de San Luis en Argentine et de l'Université de Pennsylvanie ont validé cette hypothèse de porte d'ascenseur. En appliquant les méthodes de Monte Carlo - des techniques mathématiques pour estimer les résultats possibles d'événements incertains - ils ont modélisé la vitesse la plus probable des ions à différentes températures de gaz. Un autre collaborateur du Catalysis Center for Energy Innovation a calculé les énergies nécessaires au xénon pour sortir des cages.

« Ces études nous ont donné des informations sur les aspects mécanistiques du procédé, notamment sur les effets thermiques, " a expliqué l'auteur co-correspondant et chercheur postdoctoral du CFN Matheus Dorneles de Mello.

Étapes successives pour la mise à l'échelle

Maintenant, les scientifiques fabriqueront les matériaux de grande surface (quelques centaines de mètres carrés) et verront s'ils continuent à fonctionner comme souhaité. Ils étudieront également des moyens plus pratiques d'ioniser le gaz.

L'équipe envisage plusieurs applications potentielles pour leur technologie. Par exemple, les nanocages peuvent être capables de piéger les gaz nobles comme le xénon et le krypton de l'air d'une manière plus économe en énergie. Actuellement, ces gaz sont séparés de l'air à l'aide d'un processus énergivore dans lequel l'air doit être refroidi à des températures extrêmement basses.

Le xénon et le krypton sont utilisés pour fabriquer de nombreux produits, comme l'éclairage. L'une des principales utilisations du xénon est dans les lampes à décharge à haute intensité, y compris des phares de voiture blancs brillants. De même, Le krypton est utilisé pour les feux de piste d'aéroport et les flashs photographiques pour la photographie à grande vitesse.

Compte tenu des calculs théoriques précédents, l'équipe pense que leur procédé devrait également être capable de piéger les gaz rares radioactifs, y compris le radon. Communément trouvé dans les sous-sols et les niveaux inférieurs des bâtiments, le radon peut endommager les cellules pulmonaires, potentiellement conduire au cancer. Cette capacité à piéger les gaz rares radioactifs serait pertinente pour plusieurs applications, telles que l'atténuation des gaz radioactifs libérés, contrôle de la non-prolifération nucléaire, et la production d'isotopes médicalement pertinents. L'équipe du CFN explore l'application médicale en collaboration avec le programme de recherche et de production d'isotopes médicaux à Brookhaven.

« En science des surfaces, les études fondamentales ne conduisent pas souvent à des produits utiles tout de suite, " a déclaré Boscoboinik. "Nous essayons de faire rapidement quelque chose d'impactant avec ces matériaux en augmentant le niveau de complexité une étape à la fois."