Cientistas do Laboratório Nacional de Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA (DOE) tinham acabado de concluir um experimento com uma estrutura bidimensional (2D) que eles sintetizaram para pesquisa de catálise quando, para sua surpresa, eles descobriram que átomos de gás argônio ficaram presos dentro dos poros nanométricos da estrutura. Argônio e outros gases nobres foram anteriormente aprisionados em materiais porosos tridimensionais (3D), mas imobilizá-los em superfícies só foi conseguido pelo resfriamento dos gases a temperaturas muito baixas para condensá-los, ou acelerando íons de gás para implantá-los diretamente nos materiais.

"Somos a primeira equipe a capturar um gás nobre em uma estrutura porosa 2D em temperatura ambiente, "disse Anibal Boscoboinik, um cientista de materiais do Brookhaven Lab's Center for Functional Nanomaterials (CFN), um DOE Office of Science User Facility onde parte da pesquisa foi conduzida.

Esta conquista, relatado em um artigo publicado hoje em Nature Communications , permitirá que os cientistas usem ferramentas tradicionais de ciências de superfície - como fotoelétrons de raios-x e espectroscopia de absorção de reflexão infravermelha - para realizar estudos detalhados de átomos de gás único em confinamento. O conhecimento obtido com essa pesquisa pode informar o projeto, seleção, e melhoria de materiais adsorventes e membranas para a captura de gases como criptônio radioativo e xenônio gerados por usinas nucleares.

A equipe de cientistas do Brookhaven Lab, Stony Brook University, e a Universidade Nacional de San Luis, na Argentina, sintetizou aluminossilicato 2D (composto de alumínio, silício, e oxigênio) filmes no topo de uma superfície de metal de rutênio. Os cientistas criaram este material de catalisador modelo 2D para estudar os processos químicos que acontecem no catalisador 3D usado industrialmente (chamado de zeólito), que tem uma estrutura em forma de gaiola com poros abertos e canais do tamanho de pequenas moléculas. Como a superfície cataliticamente ativa está encerrada dentro dessas cavidades, é difícil sondar com ferramentas tradicionais da ciência da superfície. O material analógico 2D tem a mesma composição química e sítio ativo que o zeólito poroso 3D, mas seu sítio ativo é exposto em uma superfície plana, que é mais fácil de acessar com essas ferramentas.

Para confirmar que os átomos de argônio foram presos nesses "nanocages, "os cientistas expuseram o material 2D ao gás argônio e mediram a energia cinética e o número de elétrons ejetados da superfície após atingi-lo com um feixe de raios X. Eles realizaram esses estudos na antiga fonte de luz síncrotron nacional I (NSLS-I) e sua facilidade sucessora, NSLS-II (ambos DOE Office of Science User Facilities em Brookhaven), com um instrumento desenvolvido e operado pelo CFN. Como as energias de ligação dos elétrons centrais são exclusivas para cada elemento químico, os espectros resultantes revelam a presença e concentração de elementos na superfície. Em um experimento separado conduzido no CFN, eles passaram um feixe de luz infravermelha sobre a superfície enquanto introduziam o gás argônio. Quando os átomos absorvem luz de um comprimento de onda específico, eles passam por mudanças em seus movimentos vibracionais que são específicos da estrutura molecular e das ligações químicas desse elemento.

Para obter uma melhor compreensão de como a própria estrutura contribui para o caging, os cientistas investigaram o mecanismo de captura com filmes de silicato, que são semelhantes em estrutura aos aluminossilicatos, mas não contêm alumínio. Nesse caso, eles descobriram que nem todo o argônio fica preso nas gaiolas - uma pequena quantidade vai para a interface entre a estrutura e a superfície de rutênio. Esta interface está muito comprimida nos filmes de aluminossilicato para que o argônio entre.

Depois de estudar a adsorção, os cientistas examinaram o processo reverso de dessorção aumentando gradativamente a temperatura até que os átomos de argônio se liberassem completamente da superfície a 350 graus Fahrenheit. Eles corroboraram seus espectros experimentais com cálculos teóricos da quantidade de energia associada ao argônio que entra e sai das gaiolas.

Em outro experimento de espectroscopia de infravermelho conduzido na Divisão de Química de Brookhaven, eles exploraram como a presença de argônio nas gaiolas afeta a passagem das moléculas de monóxido de carbono através da estrutura. Eles descobriram que o argônio restringe o número de moléculas que se adsorvem na superfície do rutênio.

"Além de prender pequenos átomos, as gaiolas podem ser usadas como peneiras moleculares para filtrar monóxido de carbono e outras moléculas pequenas, como hidrogênio e oxigênio, "disse o primeiro autor Jian-Qiang Zhong, um associado de pesquisa CFN.

Embora seu objetivo principal seja continuar investigando os processos catalíticos de zeólita no material 2D, os cientistas estão interessados ​​em aprender o impacto dos diferentes tamanhos de poros na capacidade dos materiais de capturar e filtrar moléculas de gás.

“Na medida em que buscamos entender melhor o material, descobertas interessantes e inesperadas continuam aparecendo, "disse Boscoboinik." A capacidade de usar métodos de ciência de superfície para entender como um único átomo de gás se comporta quando está confinado em um espaço muito pequeno abre muitas perguntas interessantes para os pesquisadores responderem. "