Un equipo internacional de científicos e ingenieros, dirigido por el profesor asociado de la Universidad de Minnesota K.Andre Mkhoyan y el profesor emérito Michael Tsapatsis (actualmente, un profesor distinguido de Bloomberg en la Universidad Johns Hopkins), han hecho un descubrimiento que podría hacer avanzar aún más el uso de nanohojas de zeolita ultradelgadas, que se utilizan como filtros moleculares especializados. El descubrimiento podría mejorar la eficiencia en la producción de gasolina, plástica, y biocombustibles.

El descubrimiento revolucionario de defectos unidimensionales en una estructura bidimensional de material poroso (una zeolita llamada MFI) se logró mediante un potente microscopio electrónico de transmisión de alta resolución (TEM) en el campus de Twin Cities de la Universidad de Minnesota. Al obtener imágenes de la estructura atómica de las nanohojas de MFI con un detalle sin precedentes, Los investigadores encontraron que estos defectos unidimensionales daban como resultado una estructura única de nanohoja reforzada que cambiaba drásticamente las propiedades de filtración de la nanohoja.

Los hallazgos se publican en Materiales de la naturaleza .

"La obtención de imágenes TEM de un cristal delgado de zeolita a escala atómica ha sido un desafío de larga data, ya que estos cristales se dañan fácilmente bajo los electrones de alta energía, que son necesarios para la obtención de imágenes a escala atómica, "dijo Mkhoyan, un experto en TEM avanzado y la Cátedra Ray D. y Mary T. Johnson / Mayon Plastics en el Departamento de Ingeniería Química y Ciencia de Materiales de la Facultad de Ciencias e Ingeniería de la Universidad de Minnesota. "Requiere una comprensión profunda de los mecanismos de daño del haz de los cristales de zeolita y las dosis de haz de electrones que la zeolita puede tomar. Este trabajo empujó los límites de nuestros microscopios electrónicos, donde podemos producir de manera confiable imágenes de resolución atómica de nanohojas de zeolita extremadamente delgadas (de solo 3 nanómetros de espesor) con intercrecimientos unidimensionales identificables ".

Las pequeñas diferencias entre los dos materiales (ver imagen adjunta) fueron detectadas por Prashant Kumar, un graduado de la Facultad de Ciencias e Ingeniería de las Ciudades Gemelas de la Universidad de Minnesota, después de casi cinco años de investigación.

"Me han fascinado los hermosos patrones simétricos en el cristal MFI a lo largo de mi trabajo de doctorado, "dijo Kumar, un autor principal del estudio. "Después de mirar imágenes ruidosas en el TEM durante incontables horas, Finalmente vi que se rompía la simetría en las imágenes TEM de las nanohojas de MFI; sabía que esto era inusual ".

A pesar de las sutiles diferencias, este tejido de líneas de una zeolita dentro de otra tiene consecuencias pronunciadas en la capacidad de las nanohojas para reconocer y transportar selectivamente moléculas que permiten separaciones selectivas y catálisis. Los profesores de la Universidad de Minnesota Traian Dumitrica (ingeniería mecánica) e Ilja Siepmann (química) dirigieron las simulaciones para probar este patrón y rendimiento. Sus hallazgos revelaron que los materiales tejidos responden menos al estrés y son más selectivos en la separación de moléculas según el tamaño y la forma.

Las membranas hechas a partir de estas nanoláminas mejoradas para las simulaciones de laboratorio fueron fabricadas por un grupo de investigación dirigido por Tsapatsis, y también fueron probados en condiciones industriales por Benjamin McCool, jefe de separaciones y química de procesos en ExxonMobil. Esto último resultó en un rendimiento de filtración récord:p-xileno y o-xileno separados con una eficiencia cinco veces mayor que la que el grupo de Tsapatsis ha informado hasta la fecha.

La zeolita MFI es una estructura porosa de átomos de silicio y oxígeno y anteriormente se sabía que crecía con estructuras unidimensionales. o una zeolita llamada MEL, a granel. Sin embargo, estos defectos nunca se han fabricado o intercalado específicamente en nanohojas bidimensionales.

"La fabricación de membranas de película delgada ultraselectivas y catalizadores jerárquicos mediante el ajuste fino de la frecuencia y distribución de los crecimientos intercalados de estructuras porosas es un concepto introducido por nuestro grupo de investigación hace una década. ", dijo Tsapatsis." El descubrimiento por TEM de intercrecimientos unidimensionales en nanohojas bidimensionales y las implicaciones prácticas sugeridas por el modelado llevan el potencial de este concepto a un nuevo nivel y sugieren nuevas oportunidades para la síntesis dirigida que no hemos imaginado posibles. "

Su equipo ahora espera crear heteroestructuras de nanohojas MFI-MEL que puedan maximizar el contenido de MEL y llevar el rendimiento de filtración de las películas delgadas a una eficiencia aún mayor. según lo predicho por las simulaciones de laboratorio. Para Mkhoyan, que dirige el laboratorio de microscopía electrónica analítica de la U, donde la investigación a escala atómica es una rutina diaria, el hallazgo revolucionario es una oportunidad para mejorar aún más la forma en que se utilizan los microscopios para estudiar nanomateriales en detalle a nivel atómico.