Imagínese construir una ciudad con solo dos tipos de edificios:casas rojas y oficinas verdes. Distribuyes los edificios de manera uniforme alternando rojo y verde. Ahora, imagina esa misma ciudad con barrios y distritos comerciales. El mapa 3-D tendría áreas distintas de rojo y verde. La Dra. Xiao-Ying Yu del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del DOE y sus colegas terminaron con un mapa similar cuando profundizaron en un solvente popular, conocido como líquido iónico conmutable, o SWIL. El equipo dibujó el primer mapa químico de un SWIL.

"Vimos algo que nadie había visto antes, una química que nadie había visto antes, "dijo Yu, el químico de la PNNL que dirigió el equipo.

Estos líquidos intercambiables capturan dióxido de carbono, sirven como plantillas para pequeñas partículas de diseño y extraen sustancias químicas deseables de la biomasa. Los SWIL son más fáciles de controlar y producen menos residuos que las técnicas convencionales. Sin embargo, los científicos no sabían exactamente qué sucedía dentro del líquido. La investigación del equipo ofrece un mapa detallado de cómo funcionan los SWIL. El estudio brinda a los científicos conocimientos para controlar mejor los SWIL existentes y diseñar nuevos, líquidos más eficaces para la separación verde. Además, Los SWIL también pueden servir como plantillas suaves para crear estructuras extremadamente pequeñas.

"Nos da una comprensión más profunda de lo que hacen los solventes y cómo se comportan, "dijo el Dr. David Heldebrant, un científico de la PNNL que estudia la química del dióxido de carbono.

Se utiliza para capturar dióxido de carbono, sintetizar nanopartículas y ayudar a convertir la biomasa en biocombustibles, Los SWIL son un solvente popular. Desafortunadamente, estos líquidos son difíciles de controlar y mejorar. ¿Por qué? El funcionamiento interno de los líquidos era un misterio. Si bien muchos pensaron que los SWIL eran homogéneos cuando estaban completamente cargados con dióxido de carbono, el equipo no estaba convencido. Trabajando con teóricos en PNNL, Yu y sus colegas examinaron simulaciones y cálculos computacionales que mostraban distintas regiones en los SWIL, incluso cuando la química decía que debería ser homogéneo.

El equipo adoptó un enfoque doble para elaborar un mapa químico en 3D de un SWIL. Uno involucró analizar el líquido usando instrumentos como un espectrómetro de masas de iones secundarios (SIMS) de tiempo de vuelo en el EMSL del DOE, una instalación de usuario científico. "Somos uno de los pocos grupos que pueden realizar análisis SIMS de líquidos e interfaces de líquidos, ", dijo Yu." La mayoría de los lugares tienen que secar la muestra o utilizar otros enfoques a granel. Nosotros no ".

Yu, junto con Juan Yao y el Dr. Zihua Zhu, analizaron los datos del espectrómetro de masas con los conocimientos de sus colegas de síntesis.

También llevaron a cabo una serie de experimentos que combinaron la galardonada tecnología SALVI. SALVI, o Sistema de análisis en la interfaz de vacío líquido, permite que los instrumentos de imágenes que requieren poner la muestra de líquido iónico sensible al aire al vacío para estudiar la reacción de los líquidos en tiempo real y en un entorno realista. SALVI, lo suficientemente pequeño como para caber en la palma de una mano, requiere tan solo dos gotas de un líquido. El equipo usó SALVI con una línea de luz de fotones dinámicos químicos en la fuente de luz avanzada del DOE, otra facilidad de usuario científico. Encontraron evidencia de apoyo de los componentes SWIL, complementando las observaciones SIMS.

Al analizar los resultados de los dos enfoques y el estudio teórico anterior, el equipo creó un mapa tridimensional para el fluido. "Esta investigación abrió las puertas de la inundación, "dijo el Dr. Satish K. Nune, un químico de PNNL que trabajó en el estudio. "Le dio a mucha gente nuevas ideas sobre la química SWIL".

En PNNL, La investigación de SWIL continúa aportando nuevos conocimientos. Yu está liderando el trabajo en el uso de SWIL como un sistema modelo para examinar la estructura del solvente a través de SALVI en fuentes de luz DOE. Heldebrant está estudiando cómo manipular las estructuras SWIL para capturar de manera eficiente el dióxido de carbono. Nune está liderando los esfuerzos sobre el uso de SWIL para recolectar agua del aire con menos energía.