En los ultimos años, Los científicos han demostrado cómo enjauladas, Las estructuras porosas hechas de silicio y oxígeno y que miden solo mil millonésimas de metro de tamaño pueden atrapar gases nobles como el argón. criptón, y xenón. Sin embargo, para que estas nanojaulas de sílice sean prácticamente útiles, por ejemplo, para mejorar la eficiencia de la producción de energía nuclear, deben ampliarse a partir de sus versiones de laboratorio. Los científicos ahora han dado un paso adelante al llevar esta tecnología del laboratorio al mundo real. Como informaron recientemente en Pequeña, Los materiales disponibles comercialmente pueden proporcionar una plataforma potencialmente escalable para atrapar gases nobles.

"Haciendo un centímetro cuadrado de nuestras nanocajas a escala de laboratorio, que puede atrapar solo nanogramos de gas, nos lleva un par de semanas y requiere costosos componentes y equipos de arranque, "dijo el coautor correspondiente Anibal Boscoboinik, un científico de materiales en el Grupo de Catálisis y Ciencia de Interfaces en el Centro de Nanomateriales Funcionales (CFN), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. en el Laboratorio Nacional de Brookhaven. "Existen procesos comerciales para sintetizar toneladas de estas nanojaulas de sílice, que son tan económicos que se utilizan como aditivos en el hormigón. Sin embargo, estos materiales comerciales no atrapan gases nobles, así que un desafío para escalar nuestra tecnología fue comprender qué tienen de especial nuestras nanocajas ".

Un descubrimiento inesperado

Boscoboinik ha estado liderando la investigación de nanojaulas en el CFN desde 2014, después de un acto de serendipia. Él y sus colegas acababan de terminar un experimento de catálisis con nanojaulas de sílice depositadas sobre un único cristal de rutenio metálico cuando notaron que átomos individuales de gas argón habían quedado atrapados dentro de los poros nanométricos de la estructura. Con este hallazgo accidental, se convirtieron en el primer grupo en atrapar un gas noble dentro de una estructura porosa bidimensional (2D) a temperatura ambiente. En 2019, atraparon otros dos gases nobles dentro de las jaulas:kriptón y xenón. En este segundo estudio, aprendieron que para que la trampa funcione, dos procesos debían suceder:los átomos de gas debían convertirse en iones (átomos cargados eléctricamente) antes de entrar en las jaulas, y las jaulas tenían que estar en contacto con un soporte metálico para neutralizar los iones una vez dentro de las jaulas, atrapándolos efectivamente en su lugar.

Con este entendimiento, en 2020, Boscoboinik y su equipo presentaron una solicitud de patente, ahora pendiente. Ese mismo año, a través de su Fondo de Comercialización de Tecnología (TCF), la Oficina de Transiciones Tecnológicas del DOE seleccionó una propuesta de investigación presentada por CFN en colaboración con el Departamento de Ciencia y Tecnología Nuclear de Brookhaven y Forge Nano para ampliar las nanocajas desarrolladas en laboratorio. El objetivo de esta ampliación es maximizar el área de superficie para atrapar kriptón y xenón, ambos productos de la fisión nuclear del uranio. Capturarlos es deseable para mejorar la eficiencia de los reactores nucleares, evitar fallas operativas debido al aumento de la presión del gas, reducir los desechos nucleares radiactivos, y detectar pruebas de armas nucleares.

Un comienzo para escalar

Paralelamente al esfuerzo de TCF, el equipo de CFN de forma independiente comenzó a explorar cómo podían escalar las nanocajas para aplicaciones prácticas, nuclear y más allá. Durante sus exploraciones, el equipo de CFN encontró la empresa que fabrica grandes volúmenes de nanocajas de sílice, en forma de polvo. En lugar de depositar las nanojaulas en monocristales de rutenio, el equipo los depositó en finas películas de rutenio, que son menos costosos. A diferencia de las nanocajas de laboratorio, estas nanojaulas tienen componentes orgánicos (que contienen carbono). Entonces, después de depositar las jaulas sobre las películas delgadas, calentaron el material en un ambiente oxidante para quemar estos componentes. Sin embargo, las jaulas no atraparían ningún gas.

"Descubrimos que el metal tiene que estar en estado metálico, "dijo el primer autor Yixin Xu, estudiante de posgrado en el Departamento de Ciencia de Materiales e Ingeniería Química de la Universidad de Stony Brook. "Al quemar los componentes orgánicos, oxidamos parcialmente el rutenio. Necesitamos calentar el material nuevamente en hidrógeno u otro ambiente reductor para que el metal vuelva a su estado metálico. Luego, el metal puede actuar como una fuente de electrones para neutralizar el gas dentro de las jaulas ".

Próximo, Los científicos de CFN y sus colaboradores de la Universidad de Stony Brook probaron si el nuevo material todavía atraparía los gases. Para hacerlo realizaron espectroscopía de fotoelectrones de rayos X a presión ambiental (AP-XPS) en la línea de luz de espectroscopía de rayos X suave (IOS) in situ y Operando en la fuente de luz del sincrotrón nacional II (NSLS-II), otra instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en Brookhaven Lab. En AP-XPS, Los rayos X excitan una muestra, provocando la emisión de electrones desde la superficie. Un detector registra el número y la energía cinética de los electrones emitidos. Al trazar esta información, los científicos pueden inferir la composición química de la muestra y los estados de enlace químico. En este estudio, los rayos X no solo eran importantes para las mediciones, sino también para ionizar el gas; aquí, xenón. Comenzaron el experimento a temperatura ambiente y gradualmente aumentaron la temperatura, encontrar el rango óptimo para atrapar (350 a 530 grados Fahrenheit). Fuera de este rango, la eficiencia comienza a disminuir. A 890 grados Fahrenheit, el xenón atrapado se libera por completo. Boscoboinik compara este complejo proceso dependiente de la temperatura con la apertura y el cierre de una puerta de ascensor.

"Imagina que la puerta se abre y se cierra muy rápido, "dijo Boscoboinik." Necesitarías correr extremadamente rápido para entrar. Como un ascensor las nanojaulas tienen una "boca" de poros que se abre y se cierra. La velocidad a la que se abren y cierran las jaulas debe coincidir bien con la velocidad a la que se mueven los iones de gas calentados para maximizar la posibilidad de que los iones entren en las jaulas y se neutralicen ".

Siguiendo estos experimentos, Científicos de la Universidad Nacional de San Luis en Argentina y la Universidad de Pensilvania validaron esta hipótesis de la puerta del ascensor. Aplicando métodos de Monte Carlo, técnicas matemáticas para estimar posibles resultados de eventos inciertos, modelaron la velocidad más probable de los iones a diferentes temperaturas del gas. Otro colaborador del Catalysis Center for Energy Innovation calculó las energías necesarias para que el xenón salga de las jaulas.

"Estos estudios nos dieron información sobre los aspectos mecanicistas del proceso, especialmente en los efectos térmicos, ", explicó el co-autor correspondiente e investigador postdoctoral de CFN Matheus Dorneles de Mello.

Pasos sucesivos para escalar

Ahora, los científicos fabricarán los materiales con una gran superficie (un par de cientos de metros cuadrados) y verán si continúan funcionando como se desea. También investigarán formas más prácticas de ionizar el gas.

El equipo está considerando varias aplicaciones potenciales para su tecnología. Por ejemplo, las nanojaulas pueden atrapar gases nobles como el xenón y el criptón del aire de una manera más eficiente desde el punto de vista energético. En la actualidad, estos gases se separan del aire mediante un proceso de gran consumo de energía en el que el aire debe enfriarse a temperaturas extremadamente bajas.

El xenón y el criptón se utilizan para fabricar muchos productos, como la iluminación. Uno de los principales usos del xenón es en lámparas de descarga de alta intensidad, incluyendo algunos faros de coche de color blanco brillante. Igualmente, El criptón se utiliza para luces de pista de aeropuerto y flashes fotográficos para fotografía de alta velocidad.

Dados los cálculos teóricos previos, el equipo cree que su proceso también debería poder atrapar gases nobles radiactivos, incluido el radón. Se encuentra comúnmente en sótanos y niveles más bajos de edificios, El radón puede dañar las células pulmonares. potencialmente conduciendo al cáncer. Esta capacidad para atrapar gases nobles radiactivos sería pertinente para varias aplicaciones, como mitigar los gases radiactivos liberados, monitorear la no proliferación nuclear, y producción de isótopos médicamente relevantes. El equipo de CFN está explorando la aplicación médica en colaboración con el Programa de Investigación y Producción de Isótopos Médicos en Brookhaven.

"En la ciencia de la superficie, los estudios fundamentales no suelen dar lugar a productos útiles de forma inmediata, ", dijo Boscoboinik." Estamos tratando de avanzar rápidamente para hacer algo impactante con estos materiales aumentando el nivel de complejidad paso a paso ".