Cientistas do SLAC National Accelerator Laboratory do Departamento de Energia e da Universidade de Stanford tiraram as primeiras imagens de moléculas de dióxido de carbono dentro de uma gaiola molecular - parte de uma nanopartícula altamente porosa conhecida como MOF, ou estrutura metal-orgânica, com grande potencial para separação e armazenamento de gases e líquidos.

As imagens, feito nas instalações Stanford-SLAC Cryo-EM, mostram duas configurações da molécula de CO2 em sua gaiola, no que os cientistas chamam de relação hóspede-anfitrião; revelar que a gaiola se expande ligeiramente conforme o CO2 entra; e amplie as bordas irregulares onde as partículas de MOF podem crescer adicionando mais gaiolas.

"Esta é uma conquista inovadora que certamente trará percepções sem precedentes sobre como essas estruturas altamente porosas realizam suas funções excepcionais, e demonstra o poder do crio-EM para resolver um problema particularmente difícil na química de MOF, "disse Omar Yaghi, um professor da Universidade da Califórnia, Berkeley e um pioneiro nesta área da química, que não estava envolvido no estudo.

A equipe de pesquisa, liderado pelos professores do SLAC / Stanford Yi Cui e Wah Chiu, descreveu o estudo hoje no jornal Matéria .

Pequenos pontos com superfícies enormes

MOFs têm as maiores áreas de superfície de qualquer material conhecido. Um único grama, ou três centésimos de onça, pode ter uma área de superfície quase do tamanho de dois campos de futebol, oferecendo muito espaço para moléculas hóspedes entrarem em milhões de gaiolas hospedeiras.

Apesar de seu enorme potencial comercial e duas décadas de intenso, acelerando a pesquisa, Os MOFs agora estão começando a chegar ao mercado. Cientistas de todo o mundo projetam mais de 6, 000 novos tipos de partículas MOF por ano, procurando as combinações certas de estrutura e química para tarefas específicas, como aumentar a capacidade de armazenamento dos tanques de gás ou capturar e enterrar o CO2 das chaminés para combater as mudanças climáticas.

“De acordo com o Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas, limitar os aumentos da temperatura global a 1,5 graus Celsius exigirá alguma forma de tecnologia de captura de carbono, "disse Yuzhang Li, pesquisador de pós-doutorado em Stanford e principal autor do relatório. “Esses materiais têm potencial para capturar grandes quantidades de CO2, e entender onde o CO2 está ligado dentro dessas estruturas porosas é muito importante para projetar materiais que façam isso de forma mais barata e eficiente. "

Um dos métodos mais poderosos de observação de materiais é a microscopia eletrônica de transmissão, ou TEM, que pode fazer imagens em detalhes átomo por átomo. Mas muitos MOFs, e os laços que mantêm moléculas hóspedes dentro deles, derreter em bolhas quando exposto aos intensos feixes de elétrons necessários para este tipo de imagem.

Alguns anos atrás, Cui e Li adotaram um método que tem sido usado por muitos anos para estudar amostras biológicas:congelar amostras para que resistam melhor ao bombardeio de elétrons. Eles usaram um instrumento TEM avançado nas Instalações Compartilhadas de Stanford Nano para examinar amostras congeladas rapidamente contendo dendritos - crescimentos em forma de dedo de metal de lítio que podem perfurar e danificar baterias de íon-lítio - em detalhes atômicos pela primeira vez.

Imagens atômicas, um elétron de cada vez

Para este último estudo, Cui e Li usaram instrumentos nas instalações Stanford-SLAC Cryo-EM, que têm detectores muito mais sensíveis que podem captar sinais de elétrons individuais que passam por uma amostra. Isso permitiu aos cientistas fazer imagens em detalhes atômicos, minimizando a exposição do feixe de elétrons.

O MOF que estudaram é denominado ZIF-8. Ele veio em partículas de apenas 100 bilionésimos de um metro de diâmetro; você precisaria alinhar cerca de 900 deles para coincidir com a largura de um cabelo humano. “Tem grande potencial comercial porque é muito barato e fácil de sintetizar, "disse o pesquisador de pós-doutorado de Stanford Kecheng Wang, que desempenhou um papel fundamental nas experiências. "Já está sendo usado para capturar e armazenar gases tóxicos."

O Cryo-EM não apenas permite que eles façam imagens super nítidas com o mínimo de dano às partículas, mas também evitou que o gás CO2 escapasse enquanto a foto estava sendo tirada. Ao obter imagens da amostra de dois ângulos, os investigadores foram capazes de confirmar as posições de dois dos quatro locais onde o CO2 é supostamente mantido fracamente no lugar dentro de sua gaiola.

"Fiquei muito animado quando vi as fotos. É um trabalho brilhante, "disse o professor de Stanford Robert Sinclair, um especialista em usar TEM para estudar materiais que ajudaram a interpretar os resultados da equipe. “Tirar fotos das moléculas de gás dentro dos MOFs é um passo incrível”.