p Ao longo dos últimos anos, cientistas demonstraram como em forma de gaiola, estruturas porosas feitas de silício e oxigênio e medindo apenas bilionésimos de um metro de tamanho podem reter gases nobres como o argônio, criptônio, e xenônio. Contudo, para que essas nanocages de sílica sejam praticamente úteis - por exemplo, para melhorar a eficiência da produção de energia nuclear - eles precisam ser ampliados em relação às versões de laboratório. Os cientistas agora deram um passo à frente para trazer essa tecnologia do laboratório para o mundo real. Como eles relataram recentemente em Pequena, os materiais disponíveis comercialmente podem fornecer uma plataforma potencialmente escalável para capturar gases nobres. p "Fazendo um centímetro quadrado de nossos nanocages em escala de laboratório, que pode capturar apenas nanogramas de gás, leva algumas semanas e requer componentes e equipamentos caros de partida, "disse o co-autor Anibal Boscoboinik, um cientista de materiais no Grupo de Ciência de Interface e Catálise no Centro de Nanomateriais Funcionais (CFN), um Departamento de Energia (DOE) dos Estados Unidos para usuários do Office of Science User Facility no Brookhaven National Laboratory. “Existem processos comerciais para sintetizar toneladas dessas nanocages de sílica, que são tão baratos que são usados ​​como aditivos no concreto. Contudo, estes materiais comerciais não retêm gases nobres, portanto, um desafio para dimensionar nossa tecnologia foi entender o que há de especial em nossos nanocages. "

p Uma descoberta inesperada

p Boscoboinik lidera a pesquisa de nanocages no CFN desde 2014, após um ato de serendipidade. Ele e seus colegas tinham acabado de concluir um experimento de catálise com nanocages de sílica depositados no topo de um único cristal de metal rutênio quando notaram que átomos individuais de gás argônio ficaram presos dentro dos poros nanométricos da estrutura. Com esta descoberta acidental, eles se tornaram o primeiro grupo a capturar um gás nobre dentro de uma estrutura porosa bidimensional (2D) em temperatura ambiente. Em 2019, eles aprisionaram dois outros gases nobres dentro das gaiolas:criptônio e xenônio. Neste segundo estudo, eles aprenderam que para a armadilha funcionar, dois processos precisaram acontecer:os átomos de gás tiveram que ser convertidos em íons (átomos eletricamente carregados) antes de entrar nas gaiolas, e as gaiolas tinham que estar em contato com um suporte metálico para neutralizar os íons uma vez dentro das gaiolas - prendendo-os efetivamente no lugar.

p Com este entendimento, em 2020, Boscoboinik e sua equipe entraram com um pedido de patente, agora pendente. Nesse mesmo ano, por meio de seu Fundo de Comercialização de Tecnologia (TCF), o DOE Office of Technology Transitions selecionou uma proposta de pesquisa enviada pelo CFN em colaboração com o Departamento de Ciência e Tecnologia Nuclear de Brookhaven e o Forge Nano para ampliar os nanocages desenvolvidos em laboratório. O objetivo dessa ampliação é maximizar a área de superfície para capturar criptônio e xenônio, ambos os produtos da fissão nuclear do urânio. Capturá-los é desejável para melhorar a eficiência dos reatores nucleares, evitar falhas operacionais devido ao aumento das pressões de gás, reduzir o lixo nuclear radioativo, e detectar testes de armas nucleares.

p Um começo de escalonamento

p Em paralelo ao esforço TCF, a equipe CFN começou independentemente a explorar como eles poderiam escalar os nanocages para aplicações práticas, nuclear e além. Durante suas explorações, a equipe CFN encontrou a empresa que fabrica grandes volumes de nanocages de sílica, na forma de um pó. Em vez de depositar os nanocages em cristais únicos de rutênio, a equipe os depositou em filmes finos de rutênio, que são menos onerosos. Ao contrário dos nanocages baseados em laboratório, esses nanocages têm componentes orgânicos (contendo carbono). Então, depois de depositar as gaiolas nas películas finas, eles aqueciam o material em um ambiente oxidante para queimar esses componentes. Contudo, as gaiolas não reteriam nenhum gás.

p “Descobrimos que o metal deve estar no estado metálico, "disse o primeiro autor Yixin Xu, um estudante de graduação no Departamento de Ciência de Materiais e Engenharia Química da Stony Brook University. "Enquanto queima os componentes orgânicos, oxidamos parcialmente o rutênio. Precisamos aquecer o material novamente em hidrogênio ou outro ambiente redutor para fazer o metal voltar ao seu estado metálico. Então, o metal pode atuar como uma fonte de elétrons para neutralizar o gás dentro das gaiolas. "

p Próximo, os cientistas do CFN e seus colaboradores da Stony Brook University testaram se o novo material ainda reteria os gases. Para fazer isso, eles realizaram espectroscopia de fotoelétrons de raios-X de pressão ambiente (AP-XPS) na linha de luz de espectroscopia de raios-X (IOS) In situ e Operando Soft na National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), outro DOE Office of Science User Facility no Brookhaven Lab. No AP-XPS, Os raios X excitam uma amostra, fazendo com que elétrons sejam emitidos da superfície. Um detector registra o número e a energia cinética dos elétrons emitidos. Ao plotar essas informações, os cientistas podem inferir a composição química da amostra e os estados de ligação química. Neste estudo, os raios X não foram apenas importantes para as medições, mas também para ionizar o gás - aqui, xenônio. Eles começaram o experimento em temperatura ambiente e aumentaram gradualmente a temperatura, encontrar o intervalo ideal para captura (350 a 530 graus Fahrenheit). Fora desta faixa, a eficiência começa a diminuir. A 890 graus Fahrenheit, o xenônio preso é completamente liberado. Boscoboinik compara esse processo complexo dependente da temperatura a uma porta de elevador se abrindo e fechando.

p "Imagine que a porta está abrindo e fechando extremamente rápido, "disse Boscoboinik." Você precisaria estar correndo extremamente rápido para entrar. Como um elevador, os nanocages têm uma "boca" porosa que abre e fecha. A taxa na qual as gaiolas abrem e fecham precisa ser uma boa combinação com a taxa na qual os íons de gás aquecidos estão se movendo para maximizar a chance de íons entrarem nas gaiolas e serem neutralizados. "

p Após esses experimentos, cientistas da Universidad Nacional de San Luis, na Argentina, e da University of Pennsylvania, validaram essa hipótese da porta do elevador. Aplicando métodos de Monte Carlo - técnicas matemáticas para estimar possíveis resultados de eventos incertos - eles modelaram a velocidade mais provável dos íons em diferentes temperaturas de gás. Outro colaborador do Centro de Catálise para Inovação em Energia calculou as energias necessárias para o xenônio sair das gaiolas.

p “Esses estudos nos deram informações sobre os aspectos mecanicistas do processo, especialmente em efeitos térmicos, "explicou o co-autor correspondente e pesquisador de pós-doutorado do CFN Matheus Dorneles de Mello.

p Etapas sucessivas para dimensionamento

p Agora, os cientistas farão os materiais com uma área de superfície alta (algumas centenas de metros quadrados) e verão se eles continuam a funcionar conforme desejado. Eles também irão investigar maneiras mais práticas de ionizar o gás.

p A equipe está considerando várias aplicações potenciais para sua tecnologia. Por exemplo, os nanocages podem ser capazes de capturar gases nobres como xenônio e criptônio do ar de uma forma mais eficiente em termos de energia. Atualmente, esses gases são separados do ar por meio de um processo que consome muita energia, no qual o ar deve ser resfriado a temperaturas extremamente baixas.

p Xenon e criptônio são usados ​​para fabricar muitos produtos, como iluminação. Um dos principais usos do xenônio é em lâmpadas de descarga de alta intensidade, incluindo alguns faróis de carro brancos brilhantes. Da mesma forma, krypton é usado para luzes de pista de aeroportos e flashes fotográficos para fotografia de alta velocidade.

p Dados os cálculos teóricos anteriores, a equipe acredita que seu processo também deve ser capaz de capturar gases nobres radioativos, incluindo radônio. Normalmente encontrado em porões e níveis mais baixos de edifícios, o radônio pode danificar as células do pulmão, potencialmente levando ao câncer. Esta capacidade de capturar gases nobres radioativos seria relevante para várias aplicações, como a mitigação de gases radioativos liberados, monitorar a não proliferação nuclear, e produção de isótopos medicamente relevantes. A equipe do CFN está explorando a aplicação médica em colaboração com o Programa de Pesquisa e Produção de Isótopos Médicos em Brookhaven.

p "Na ciência de superfície, estudos fundamentais nem sempre levam a produtos úteis de imediato, "disse Boscoboinik." Estamos tentando mover rapidamente para fazer algo impactante com esses materiais, aumentando o nível de complexidade um passo de cada vez. "