Las zeolitas tienen estructuras atómicas porosas únicas y son útiles como catalizadores, intercambiadores iónicos y tamices moleculares. Es difícil observar directamente las estructuras atómicas locales del material mediante microscopía electrónica debido a la baja resistencia a la irradiación de electrones. Como resultado, las relaciones fundamentales propiedad-estructura de los constructos siguen sin estar claras.
Los desarrollos recientes de un método de obtención de imágenes con dosis bajas de electrones conocido como microscopía electrónica de transmisión de barrido de campo brillante óptimo (OBF STEM) ofrecen un método para reconstruir imágenes con una alta relación señal-ruido con una alta eficiencia de dosis.
En este estudio, Kousuke Ooe y un equipo de científicos en ingeniería y nanociencia de la Universidad de Tokio y el Centro de Cerámica Fina de Japón realizaron observaciones de resolución atómica en dosis bajas con el método para visualizar sitios atómicos y sus estructuras entre dos tipos de zeolitas. Los científicos observaron la compleja estructura atómica de los límites gemelos en una zeolita de tipo faujasita (FAU) para facilitar la caracterización de estructuras atómicas locales en muchos materiales sensibles a los rayos de electrones.
Las zeolitas son materiales porosos que se disponen regularmente en poros de tamaño nanométrico adecuados para una variedad de aplicaciones durante la catálisis, la separación de gases y el intercambio iónico. Las propiedades del material están estrechamente relacionadas con la geometría de los poros, lo que permite interacciones posteriores con moléculas e iones huéspedes adsorbidos. Hasta ahora, los investigadores han utilizado métodos difractométricos para analizar la estructura de las zeolitas.
Por ejemplo, los científicos de materiales han demostrado que la microscopía electrónica de barrido es un método poderoso para analizar estructuras locales y observar la disposición atómica de materiales resistentes a los electrones en el nivel subangstrom. Sin embargo, las zeolitas son más sensibles a los rayos de electrones en comparación con otros materiales orgánicos, lo que limita las observaciones basadas en microscopía electrónica debido a la irradiación de electrones.
En 1958, el científico de materiales J. W. Menter observó zeolitas utilizando un microscopio electrónico de transmisión de alta resolución para informar una resolución de red de 14 Angstrom. Las imágenes de la estructura de la zeolita mejoraron sustancialmente mediante imágenes avanzadas en la década de 1990, aunque siguió siendo un desafío observar los sitios atómicos en los materiales.
Los avances recientes en los detectores de electrones de microscopía electrónica de transmisión de barrido (STEM) han llevado a métodos de obtención de imágenes más avanzados, como el método STEM de campo brillante óptimo (OBF) para observar estructuras atómicas con la relación señal-ruido más alta para obtener imágenes de resolución atómica. en tiempo real.
En este trabajo, Ooe y sus colegas utilizaron imágenes OBF en tiempo real para determinar la arquitectura de las zeolitas con una resolución subangstrom. Los resultados enfatizaron la capacidad de la microscopía electrónica avanzada para caracterizar la estructura local de materiales sensibles al haz.
Imágenes directas de estructuras atómicas en zeolitas:imágenes OBF en tiempo real frente a imágenes STEM
La estructura de zeolita constaba de dos bloques de construcción:jaulas de sodalita y anillos dobles de seis miembros. Utilizando imágenes de campo brillante óptimo (OBF) en tiempo real, el equipo detectó la estructura del material y utilizó una corriente de sonda electrónica de 0,5 pico-angstrom para evitar cualquier daño relacionado con el haz con el fin de analizar los materiales inorgánicos típicos. Luego compararon las imágenes OBF con otras imágenes de microscopía electrónica de transmisión de barrido obtenidas en condiciones de dosis similares.
Los métodos STEM existentes mostraron una estructura básica del marco material; sin embargo, el análisis de la estructura atómica con este método fue un desafío debido a la baja dosis de corriente. Por el contrario, las imágenes OBF ofrecieron un contraste de imagen más confiable e interpretable con una mayor eficiencia de dosis.
El equipo de investigación utilizó el método óptimo de campo claro para examinar la estructura atómica de un límite gemelo en la estructura de la zeolita. La estructura se hizo apilando cúbicamente una unidad de estructura en capas conocida como "lámina de faujasita". Los resultados de las imágenes con OBF mostraron un espectro de potencia de la imagen con una transferencia de información superior a 1 Angstrom. Las imágenes de elementos luminosos de baja dosis con OBF STEM ofrecieron una mejor alternativa para analizar la estructura de las zeolitas, incluido el cambio de simetría local.
Ooe y sus colegas realizaron cálculos de la teoría funcional de la densidad para examinar la estabilidad de la estructura de límites gemelos donde la imagen experimental coincidía con su contraparte simulada.
El equipo aplicó el método a un tipo diferente de muestra de zeolita para mostrar cómo la proporción típica de silicio y aluminio de estas muestras es crucial para que las propiedades del material influyan en la adherencia de iones y moléculas. Cuando aplicaron el método a una muestra de zeolita a base de sodio para observaciones atómicas, los resultados facilitaron la concepción de sitios de cationes adicionales con baja ocupación en la estructura zeolítica.
De esta manera, Kousuke Ooe y sus colegas idearon un método de obtención de imágenes de microscopía electrónica de transmisión de barrido con dosis eficiente conocido como "microscopía electrónica de transmisión de barrido de campo brillante óptimo" (OBF-STEM) para obtener imágenes de resolución atómica de dosis baja. El equipo demostró cómo el método reveló directamente las estructuras atómicas de todos los elementos en un material de zeolita tipo faujasita, un conocido material sensible a los rayos con resolución espacial subangstrom.
El método se puede utilizar para detectar defectos de red en la estructura del material. Visualizaron los sitios atómicos en el marco junto con sus cationes capturados para obtener resultados que coincidían cuantitativamente con las simulaciones de imágenes. El método es aplicable a materiales sensibles al haz más allá de las zeolitas para caracterizar la estructura atómica local y estudiar las relaciones estructura-propiedad de materiales sensibles.
Más información: Kousuke Ooe et al, Imágenes directas de estructuras atómicas locales en zeolita utilizando microscopía electrónica de transmisión de barrido de campo brillante óptima, Science Advances (2023). DOI:10.1126/sciadv.adf6865
L. A. Bursill et al, Estructuras zeolíticas reveladas por microscopía electrónica de alta resolución, Naturaleza (2004). DOI:10.1038/286111a0
Información de la revista: Avances científicos , Naturaleza
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