Los científicos del Laboratorio Nacional de Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) acababan de terminar un experimento con una estructura bidimensional (2D) que sintetizaron para la investigación de catálisis cuando, para su sorpresa, descubrieron que los átomos de gas argón habían quedado atrapados dentro de los poros nanométricos de la estructura. El argón y otros gases nobles han quedado previamente atrapados en materiales porosos tridimensionales (3D), pero inmovilizarlos en superficies solo se había logrado enfriando los gases a temperaturas muy bajas para condensarlos, o acelerando los iones de gas para implantarlos directamente en los materiales.

"Somos el primer equipo en atrapar un gas noble en una estructura porosa 2D a temperatura ambiente, "dijo Anibal Boscoboinik, un científico de materiales en el Centro de Nanomateriales Funcionales (CFN) de Brookhaven Lab, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE donde se llevó a cabo parte de la investigación.

Este logro, informó en un artículo publicado hoy en Comunicaciones de la naturaleza , permitirá a los científicos utilizar herramientas tradicionales de la ciencia de la superficie, como fotoelectrones de rayos X y espectroscopía de absorción de reflexión infrarroja, para realizar estudios detallados de átomos de gas individuales en confinamiento. El conocimiento obtenido de dicha investigación podría informar el diseño, selección, y mejora de materiales adsorbentes y membranas para la captura de gases como el criptón radiactivo y el xenón generados por centrales nucleares.

El equipo de científicos de Brookhaven Lab, Universidad de Stony Brook, y la Universidad Nacional de San Luis en Argentina sintetizó aluminosilicato 2D (compuesto de aluminio, silicio, y oxígeno) sobre una superficie de metal rutenio. Los científicos crearon este material catalizador modelo 2D para estudiar los procesos químicos que ocurren en el catalizador 3D utilizado industrialmente (llamado zeolita), que tiene una estructura similar a una jaula con poros abiertos y canales del tamaño de moléculas pequeñas. Debido a que la superficie catalíticamente activa está encerrada dentro de estas cavidades, es difícil de probar con herramientas tradicionales de ciencia de superficie. El material análogo 2D tiene la misma composición química y sitio activo que la zeolita porosa 3D pero su sitio activo está expuesto en una superficie plana. que es más fácil de acceder con tales herramientas.

Para confirmar que los átomos de argón estaban atrapados en estas "nanojaulas, "los científicos expusieron el material 2D al gas argón y midieron la energía cinética y la cantidad de electrones expulsados ​​de la superficie después de golpearla con un haz de rayos X. Realizaron estos estudios en la antigua Fuente de luz del sincrotrón nacional I (NSLS-I) y su instalación sucesora, NSLS-II (ambas instalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en Brookhaven), con un instrumento desarrollado y operado por la CFN. Debido a que las energías de enlace de los electrones centrales son únicas para cada elemento químico, los espectros resultantes revelan la presencia y concentración de elementos en la superficie. En un experimento separado realizado en el CFN, rozaron un rayo de luz infrarroja sobre la superficie mientras introducían gas argón. Cuando los átomos absorben luz de una longitud de onda específica, experimentan cambios en sus movimientos vibratorios que son específicos de la estructura molecular y los enlaces químicos de ese elemento.

Para comprender mejor cómo el marco en sí mismo contribuye al enjaulamiento, los científicos investigaron el mecanismo de captura con películas de silicato, que son similares en estructura a los aluminosilicatos pero no contienen aluminio. En este caso, descubrieron que no todo el argón queda atrapado en las jaulas; una pequeña cantidad va a la interfaz entre la estructura y la superficie de rutenio. Esta interfaz está demasiado comprimida en las películas de aluminosilicato para que el argón se apriete.

Después de estudiar la adsorción, los científicos examinaron el proceso inverso de desorción aumentando gradualmente la temperatura hasta que los átomos de argón se liberaron completamente de la superficie a 350 grados Fahrenheit. Corroboraron sus espectros experimentales con cálculos teóricos de la cantidad de energía asociada con el argón que entra y sale de las jaulas.

En otro experimento de espectroscopía infrarroja realizado en la División de Química de Brookhaven, exploraron cómo la presencia de argón en las jaulas afecta el paso de moléculas de monóxido de carbono a través de la estructura. Descubrieron que el argón restringe el número de moléculas que se adsorben en la superficie del rutenio.

"Además de atrapar átomos pequeños, las jaulas podrían usarse como tamices moleculares para filtrar el monóxido de carbono y otras moléculas pequeñas, como hidrógeno y oxígeno, "dijo el primer autor Jian-Qiang Zhong, un investigador asociado de CFN.

Si bien su principal objetivo en el futuro será continuar investigando los procesos catalíticos de zeolita en el material 2D, los científicos están interesados ​​en conocer el impacto de diferentes tamaños de poros en la capacidad de los materiales para atrapar y filtrar moléculas de gas.

"A medida que buscamos comprender mejor el material, siguen apareciendo hallazgos interesantes e inesperados, ", dijo Boscoboinik." La capacidad de utilizar métodos de ciencia de la superficie para comprender cómo se comporta un solo átomo de gas cuando está confinado en un espacio muy pequeño abre muchas preguntas interesantes para que los investigadores las respondan ".