Científicos del Laboratorio Nacional Acelerador SLAC del Departamento de Energía y de la Universidad de Stanford han tomado las primeras imágenes de moléculas de dióxido de carbono dentro de una jaula molecular, parte de una nanopartícula altamente porosa conocida como MOF, o estructura organometálica, con gran potencial para separar y almacenar gases y líquidos.

Las imagenes, hecho en las instalaciones de Stanford-SLAC Cryo-EM, mostrar dos configuraciones de la molécula de CO2 en su jaula, en lo que los científicos llaman una relación huésped-anfitrión; revelan que la jaula se expande ligeramente cuando entra el CO2; y amplíe los bordes dentados donde las partículas de MOF pueden crecer agregando más jaulas.

"Este es un logro revolucionario que seguramente traerá conocimientos sin precedentes sobre cómo estas estructuras altamente porosas llevan a cabo sus funciones excepcionales, y demuestra el poder de cryo-EM para resolver un problema particularmente difícil en la química MOF, "dijo Omar Yaghi, profesor de la Universidad de California, Berkeley y pionero en esta área de la química, que no participó en el estudio.

El equipo de investigación dirigido por los profesores de SLAC / Stanford Yi Cui y Wah Chiu, describió el estudio hoy en la revista Importar .

Pequeñas motas con enormes superficies

Los MOF tienen las áreas de superficie más grandes de cualquier material conocido. Un solo gramo o tres centésimas de onza, puede tener una superficie casi del tamaño de dos campos de fútbol, ofreciendo mucho espacio para que las moléculas invitadas entren en millones de jaulas de huéspedes.

A pesar de su enorme potencial comercial y dos décadas de intensa, acelerar la investigación, Los MOF recién están comenzando a llegar al mercado. Científicos de todo el mundo diseñan más de 6, 000 nuevos tipos de partículas MOF por año, buscando las combinaciones correctas de estructura y química para tareas particulares, como aumentar la capacidad de almacenamiento de los tanques de gas o capturar y enterrar el CO2 de las chimeneas para combatir el cambio climático.

"Según el Panel Intergubernamental sobre Cambio Climático, limitar los aumentos de la temperatura global a 1,5 grados Celsius requerirá algún tipo de tecnología de captura de carbono, "dijo Yuzhang Li, investigador postdoctoral de Stanford y autor principal del informe. "Estos materiales tienen el potencial de capturar grandes cantidades de CO2, y comprender dónde se une el CO2 dentro de estos marcos porosos es realmente importante para diseñar materiales que lo hagan de manera más económica y eficiente ".

Uno de los métodos más poderosos para observar materiales es la microscopía electrónica de transmisión, o TEM, que puede hacer imágenes en detalle átomo por átomo. Pero muchos MOF, y los enlaces que mantienen a las moléculas invitadas en su interior, se funden en gotas cuando se exponen a los intensos haces de electrones necesarios para este tipo de imágenes.

Hace unos pocos años, Cui y Li adoptaron un método que se ha utilizado durante muchos años para estudiar muestras biológicas:congelar las muestras para que resistan mejor el bombardeo de electrones. Utilizaron un instrumento TEM avanzado en las instalaciones compartidas de Stanford Nano para examinar muestras ultracongeladas que contienen dendritas (crecimientos de metal de litio en forma de dedos que pueden perforar y dañar las baterías de iones de litio) en detalle atómico por primera vez.

Imágenes atómicas, un electrón a la vez

Para este último estudio, Cui y Li utilizaron instrumentos en las instalaciones Cryo-EM de Stanford-SLAC, que tienen detectores mucho más sensibles que pueden captar señales de electrones individuales que pasan a través de una muestra. Esto permitió a los científicos crear imágenes con detalles atómicos y minimizar la exposición al haz de electrones.

El MOF que estudiaron se llama ZIF-8. Venía en partículas de apenas 100 mil millonésimas de metro de diámetro; necesitaría alinear alrededor de 900 de ellos para que coincidan con el ancho de un cabello humano. "Tiene un alto potencial comercial porque es muy barato y fácil de sintetizar, "dijo el investigador postdoctoral de Stanford, Kecheng Wang, que jugó un papel clave en los experimentos. "Ya se está utilizando para capturar y almacenar gases tóxicos".

Cryo-EM no solo les permite hacer imágenes súper nítidas con un daño mínimo a las partículas, pero también impidió que se escapara el gas CO2 mientras se tomaba la fotografía. Al tomar imágenes de la muestra desde dos ángulos, los investigadores pudieron confirmar las posiciones de dos de los cuatro sitios donde se cree que el CO2 se mantiene débilmente en su lugar dentro de su jaula.

"Me emocioné mucho cuando vi las imágenes. Es un trabajo brillante, "dijo el profesor de Stanford Robert Sinclair, un experto en el uso de TEM para estudiar materiales que ayudó a interpretar los resultados del equipo. "Tomar fotografías de las moléculas de gas dentro de los MOF es un increíble paso adelante".