p Uma equipe internacional de cientistas e engenheiros, liderado pelo Professor Associado K. Andre Mkhoyan da Universidade de Minnesota e pelo Professor Emérito Michael Tsapatsis (atualmente, um distinto professor da Bloomberg na Universidade Johns Hopkins), fizeram uma descoberta que poderia avançar ainda mais no uso de nanofolhas de zeólita ultrafinas, que são usados ​​como filtros moleculares especializados. A descoberta pode melhorar a eficiência na produção de gasolina, plásticos, e biocombustíveis. p A descoberta revolucionária de defeitos unidimensionais em uma estrutura bidimensional de material poroso (um zeólito chamado MFI) foi alcançada usando uma poderosa microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução (TEM) no campus da University of Minnesota Twin Cities. Ao imaginar a estrutura atômica das nanofolhas MFI com detalhes sem precedentes, os pesquisadores descobriram que esses defeitos unidimensionais resultaram em uma estrutura única de nanofolha reforçada que alterou drasticamente as propriedades de filtração da nanofolha.

p Os resultados são publicados em Materiais da Natureza .

p "A imagem TEM de cristal de zeólita fino em escala atômica tem sido um desafio de longa data, pois esses cristais são facilmente danificados sob os elétrons de alta energia, que são necessários para imagens em escala atômica, "disse Mkhoyan, um especialista em TEM avançado e Ray D. e Mary T. Johnson / Mayon Plastics Chair no Departamento de Engenharia Química e Ciência de Materiais da Faculdade de Ciências e Engenharia da Universidade de Minnesota. "É necessário um conhecimento profundo dos mecanismos de dano do feixe de cristais de zeólita e das doses de feixe de elétrons que o zeólito pode suportar. Este trabalho ultrapassou os limites de nossos microscópios eletrônicos, onde podemos produzir com segurança imagens de resolução atômica de tais nanofolhas zeólitas extremamente finas (apenas 3 nanômetros de espessura) com intercrescimentos unidimensionais identificáveis. "

p As diferenças mínimas entre os dois materiais (ver imagem em anexo) foram detectadas por Prashant Kumar, graduado na Faculdade de Ciências e Engenharia das Cidades Gêmeas da Universidade de Minnesota, após quase cinco anos de pesquisa.

p "Fiquei fascinado pelos belos padrões simétricos do cristal MFI ao longo do meu trabalho de doutorado, "disse Kumar, um dos principais autores do estudo. "Depois de olhar para imagens barulhentas no TEM por incontáveis ​​horas, Eu finalmente vi a simetria quebrando nas imagens TEM de nanofolhas MFI - eu sabia que isso era incomum. "

p Apesar das diferenças sutis, este entrelaçamento de linhas de um zeólito dentro de outro tem consequências pronunciadas na capacidade das nanofolhas de reconhecer e transportar seletivamente moléculas, permitindo separações seletivas e catálise. Os professores Traian Dumitrica (engenharia mecânica) e Ilja Siepmann (química) da Universidade de Minnesota conduziram as simulações para testar esse padrão e desempenho. Suas descobertas revelaram que os materiais tricotados são menos responsivos ao estresse e mais seletivos na separação de moléculas com base no tamanho e na forma.

p Membranas feitas a partir dessas nanofolhas aprimoradas para as simulações de laboratório foram fabricadas por um grupo de pesquisa liderado por Tsapatsis, e foram testados em condições industriais também por Benjamin McCool, chefe de separações e química de processos na ExxonMobil. O último resultou em desempenho de filtração recorde - p-xileno e o-xileno separados com eficiência cinco vezes maior do que o grupo de Tsapatsis relatou até agora.

p O zeólito MFI é uma estrutura porosa de átomos de silício e oxigênio e é conhecido anteriormente por crescer com estruturas unidimensionais, ou um zeólito chamado MEL, na forma em massa. Contudo, esses defeitos nunca foram especificamente fabricados ou integrados em nanofolhas bidimensionais.

p "Fazer membranas de filme fino ultra-seletivas e catalisadores hierárquicos por meio do ajuste fino da frequência e distribuição de intercrescimentos de estruturas porosas é um conceito introduzido por nosso grupo de pesquisa há uma década, "disse Tsapatsis." A descoberta pelo TEM de intercrescimentos unidimensionais em nanofolhas bidimensionais e as implicações práticas sugeridas pela modelagem trazem o potencial deste conceito a um novo nível e sugerem novas oportunidades para síntese direcionada que não imaginávamos possíveis. "

p Sua equipe agora espera criar heteroestruturas de nanofolhas MFI-MEL que podem maximizar o conteúdo MEL e aumentar o desempenho de filtração dos filmes finos para uma eficiência ainda maior, conforme previsto pelas simulações de laboratório. Para Mkhoyan - que dirige o laboratório analítico de microscopia eletrônica da Universidade de Michigan, onde a pesquisa em escala atômica é rotina diária - a descoberta revolucionária é uma oportunidade para melhorar ainda mais a maneira como os microscópios são usados ​​para estudar nanomateriais em detalhes de nível atômico.