Forskare vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Brookhaven National Laboratory hade precis avslutat ett experiment med en tvådimensionell (2D) struktur som de syntetiserade för katalysforskning när, till deras förvåning, de upptäckte att atomer av argongas hade fastnat i strukturens porer i nanostorlek. Argon och andra ädelgaser har tidigare fångats i tredimensionella (3D) porösa material, men att immobilisera dem på ytor hade bara uppnåtts genom att antingen kyla gaserna till mycket låga temperaturer för att kondensera dem, eller genom att accelerera gasjoner för att implantera dem direkt i material.

"Vi är det första laget som fångar en ädelgas i en 2D-porös struktur vid rumstemperatur, sa Anibal Boscoboinik, en materialforskare vid Brookhaven Labs Center for Functional Nanomaterials (CFN), en DOE Office of Science User Facility där en del av forskningen genomfördes.

Denna prestation, rapporteras i en tidning som publicerades idag i Naturkommunikation , kommer att göra det möjligt för forskare att använda traditionella ytvetenskapliga verktyg - såsom röntgenfotoelektron och infraröd reflektionsabsorptionsspektroskopi - för att utföra detaljerade studier av enstaka gasatomer i inneslutning. Kunskapen som erhållits från sådan forskning skulle kunna vara till hjälp för designen, urval, och förbättring av adsorberande material och membran för att fånga upp gaser såsom radioaktivt krypton och xenon som genereras av kärnkraftverk.

Teamet av forskare från Brookhaven Lab, Stony Brook University, och National University of San Luis i Argentina syntetiserade 2D-aluminiumsilikat (som består av aluminium, kisel, och oxygen) filmer ovanpå en ruteniummetallyta. Forskarna skapade detta 2D-modellkatalysatormaterial för att studera de kemiska processerna som sker i den industriellt använda 3D-katalysatorn (kallad zeolit), som har en burliknande struktur med öppna porer och kanaler lika stora som små molekyler. Eftersom den katalytiskt aktiva ytan är innesluten i dessa håligheter, det är svårt att sondera med traditionella ytvetenskapliga verktyg. 2D-analogmaterialet har samma kemiska sammansättning och aktiva plats som den 3D-porösa zeoliten men dess aktiva plats är exponerad på en plan yta, som är lättare att komma åt med sådana verktyg.

För att bekräfta att argonatomerna var fångade i dessa "nanocages, " forskarna exponerade 2D-materialet för argongas och mätte den kinetiska energin och antalet elektroner som kastades ut från ytan efter att ha träffat den med en röntgenstråle. De utförde dessa studier vid den tidigare National Synchrotron Light Source I (NSLS-I) och dess efterföljande anläggning, NSLS-II (båda DOE Office of Science User Facilities i Brookhaven), med ett instrument som utvecklats och drivs av CFN. Eftersom bindningsenergierna hos kärnelektroner är unika för varje kemiskt element, de resulterande spektra avslöjar närvaron och koncentrationen av element på ytan. I ett separat experiment utfört vid CFN, de betade en stråle av infrarött ljus över ytan medan de introducerade argongas. När atomer absorberar ljus med en specifik våglängd, de genomgår förändringar i sina vibrationsrörelser som är specifika för det elementets molekylära struktur och kemiska bindningar.

För att få en bättre förståelse för hur själva ramverket bidrar till bur, forskarna undersökte fångstmekanismen med silikatfilmer, som har liknande struktur som aluminiumsilikaten men inte innehåller något aluminium. I detta fall, de upptäckte att inte all argon fastnar i burarna – en liten mängd går till gränsytan mellan ramverket och ruteniumytan. Detta gränssnitt är för komprimerat i aluminiumsilikatfilmerna för att argon ska kunna pressas in.

Efter att ha studerat adsorption, forskarna undersökte den omvända desorptionsprocessen genom att stegvis öka temperaturen tills argonatomerna helt frigjordes från ytan vid 350 grader Fahrenheit. De bekräftade sina experimentella spektra med teoretiska beräkningar av mängden energi associerad med argon som kommer in i och lämnar burarna.

I ett annat experiment med infraröd spektroskopi utfört i Brookhavens Chemistry Division, de undersökte hur närvaron av argon i burarna påverkar passagen av kolmonoxidmolekyler genom stommen. De fann att argon begränsar antalet molekyler som adsorberas på ruteniumytan.

"Förutom att fånga små atomer, burarna skulle kunna användas som molekylsilar för att filtrera kolmonoxid och andra små molekyler, som väte och syre, " sa första författaren Jian-Qiang Zhong, en CFN-forskare.

Medan deras huvudsakliga mål framöver kommer att vara att fortsätta undersöka zeolitkatalytiska processer på 2D-materialet, forskarna är intresserade av att lära sig hur olika porstorlekar påverkar materialens förmåga att fånga och filtrera gasmolekyler.

"När vi försöker förstå materialet bättre, intressanta och oväntade fynd kommer hela tiden, ", sa Boscoboinik. "Förmågan att använda ytvetenskapliga metoder för att förstå hur en enskild gasatom beter sig när den är instängd i ett mycket litet utrymme öppnar upp många intressanta frågor för forskare att svara på."