Forskare från Institutionen för energis SLAC National Accelerator Laboratory och Stanford University har tagit de första bilderna av koldioxidmolekyler i en molekylbur - en del av en mycket porös nanopartikel som kallas en MOF, eller metallorganiskt ramverk, med stor potential för att separera och lagra gaser och vätskor.

Bilderna, tillverkad vid Stanford-SLAC Cryo-EM-faciliteterna, visa två konfigurationer av CO2 -molekylen i sin bur, i vad forskare kallar ett gäst-värd-förhållande; avslöja att buren expanderar något när CO2 kommer in; och zooma in på taggiga kanter där MOF -partiklar kan växa genom att lägga till fler burar.

"Detta är en banbrytande prestation som säkert kommer att ge oöverträffade insikter om hur dessa mycket porösa strukturer utför sina exceptionella funktioner, och det visar kraften i cryo-EM för att lösa ett särskilt svårt problem inom MOF-kemi, "sa Omar Yaghi, professor vid University of California, Berkeley och en pionjär inom detta område av kemi, som inte var inblandad i studien.

Forskargruppen, ledd av SLAC/Stanford -professorerna Yi Cui och Wah Chiu, beskrev studien idag i tidningen Materia .

Små fläckar med enorma ytor

MOF har de största ytorna av något känt material. Ett gram, eller tre hundradelar av ett uns, kan ha en yta som är nästan lika stor som två fotbollsplaner, erbjuder gott om plats för gästmolekyler att komma in i miljontals värdburar.

Trots deras enorma kommersiella potential och två decennier av intensiv, snabbare forskning, MOFs börjar just nu nå marknaden. Forskare över hela världen konstruerar mer än 6, 000 nya typer av MOF -partiklar per år, letar efter rätt kombinationer av struktur och kemi för specifika uppgifter, som att öka lagringskapaciteten för gastankar eller fånga och begrava CO2 från rökstackar för att bekämpa klimatförändringar.

"Enligt mellanstatliga panelen för klimatförändringar, begränsa globala temperaturökningar till 1,5 grader Celsius kommer att kräva någon form av koldioxidupptagningsteknik, "sa Yuzhang Li, en postdoktor i Stanford och huvudförfattare till rapporten. "Dessa material har potential att fånga upp stora mängder CO2, och att förstå var CO2 är bunden inuti dessa porösa ramverk är verkligen viktigt för att utforma material som gör det billigare och effektivare. "

En av de mest kraftfulla metoderna för att observera material är transmissionselektronmikroskopi, eller TEM, som kan göra bilder i atom-för-atom-detalj. Men många MOF, och bindningarna som håller gästmolekyler inuti dem, smälta till klumpar när de utsätts för de intensiva elektronstrålar som behövs för denna typ av bildbehandling.

Några år sedan, Cui och Li antog en metod som har använts i många år för att studera biologiska prover:Frys prover så att de håller bättre under elektronbombardering. De använde ett avancerat TEM-instrument vid Stanford Nano Shared Facilities för att undersöka blixtfrysta prover som innehåller dendriter-fingerliknande tillväxter av litiummetall som kan genomborra och skada litiumjonbatterier-i atomdetaljer för första gången.

Atombilder, en elektron i taget

För denna senaste studie, Cui och Li använde instrument vid Stanford-SLAC Cryo-EM-anläggningarna, som har mycket mer känsliga detektorer som kan plocka upp signaler från enskilda elektroner som passerar genom ett prov. Detta gjorde det möjligt för forskarna att göra bilder i atomdetaljer samtidigt som elektronstrålexponeringen minimerades.

MOF de studerade kallas ZIF-8. Det kom i partiklar bara 100 miljarder av en meter i diameter; du måste rada cirka 900 av dem för att matcha bredden på ett människohår. "Den har stor kommersiell potential eftersom den är väldigt billig och lätt att syntetisera, "sade Stanford postdoktor Kecheng Wang, som spelade en nyckelroll i experimenten. "Det används redan för att fånga upp och lagra giftiga gaser."

Cryo-EM låter dem inte bara göra superskarpa bilder med minimal skada på partiklarna, men det hindrade också CO2 -gasen från att fly medan dess bild togs. Genom att avbilda provet från två vinklar, utredarna kunde bekräfta positionerna för två av de fyra platser där CO2 antas hållas svagt på plats inne i dess bur.

"Jag var väldigt upphetsad när jag såg bilderna. Det är ett strålande arbete, "sade Stanford -professor Robert Sinclair, en expert på att använda TEM för att studera material som hjälpte till att tolka teamets resultat. "Att ta bilder av gasmolekylerna inuti MOF är ett otroligt steg framåt."