Ett internationellt team av forskare och ingenjörer, leds av University of Minnesota docent K. Andre Mkhoyan och professor emeritus Michael Tsapatsis (för närvarande, en Bloomberg Distinguished Professor vid Johns Hopkins University), har gjort en upptäckt som ytterligare kan främja användningen av ultratunna zeolitnanoark, som används som specialiserade molekylära filter. Upptäckten kan förbättra effektiviteten i produktionen av bensin, plast, och biobränslen.

Den banbrytande upptäckten av endimensionella defekter i en tvådimensionell struktur av poröst material (en zeolit ​​som kallas MFI) uppnåddes med hjälp av en kraftfull högupplöst transmissionselektronmikroskopi (TEM) på University of Minnesota Twin Cities campus. Genom att avbilda den atomära strukturen hos MFI nanosheets med oöverträffad detalj, forskarna fann att dessa endimensionella defekter resulterade i en unik förstärkt nanoarkstruktur som dramatiskt förändrade nanoarkets filtreringsegenskaper.

Resultaten publiceras i Naturmaterial .

"TEM-avbildning av tunna zeolitkristaller på atomär skala har varit en långvarig utmaning eftersom dessa kristaller lätt skadas under högenergielektronerna, som behövs för avbildning i atomskala, sade Mkhoyan, en expert på avancerad TEM och Ray D. och Mary T. Johnson/Mayon Plastics ordförande vid avdelningen för kemiteknik och materialvetenskap vid University of Minnesota College of Science and Engineering. "Det kräver en djup förståelse av mekanismerna för strålskada för zeolitkristaller och de doser av elektronstråle som zeoliten kan ta. Detta arbete tänjde på gränserna för våra elektronmikroskop, där vi på ett tillförlitligt sätt kan producera atomupplösningsbilder av sådana extremt tunna (bara 3 nanometer tjocka) zeolitnanoark med identifierbara endimensionella sammanväxter."

De små skillnaderna mellan de två materialen (se bifogad bild) upptäcktes av Prashant Kumar, en examen vid University of Minnesota Twin Cities College of Science and Engineering, efter nästan fem års forskning.

"Jag har fascinerats av de vackra symmetriska mönstren i MFI-kristall under hela mitt doktorandarbete, sa Kumar, en huvudförfattare till studien. "Efter att ha stirrat på brusiga bilder i TEM i otaliga timmar, Jag såg äntligen symmetrin bryta i TEM-bilderna av MFI-nanoark — jag visste att detta var ovanligt."

Trots de subtila skillnaderna, denna stickning av linjer av en zeolit ​​i en annan har uttalade konsekvenser för nanoarks förmåga att känna igen och selektivt transportera molekyler vilket möjliggör selektiv separation och katalys. University of Minnesota Professorerna Traian Dumitrica (mekanikteknik) och Ilja Siepmann (kemi) ledde simuleringarna för att testa detta mönster och prestanda. Deras resultat visade att de stickade materialen är mindre känsliga för stress och mer selektiva när det gäller att separera molekyler baserat på storlek och form.

Membran gjorda av dessa förbättrade nanoark för labbsimuleringarna tillverkades av en forskargrupp ledd av Tsapatsis, och de testades under industriella förhållanden också av Benjamin McCool, chef för separationer och processkemi på ExxonMobil. Det senare resulterade i rekordstor filtreringsprestanda - p-xylen och o-xylen separerade med fem gånger högre effektivitet än vad Tsapatsis-gruppen har rapporterat hittills.

MFI-zeolit ​​är en porös struktur av kisel- och syreatomer och är tidigare känd för att växa med endimensionella strukturer, eller en zeolit ​​som heter MEL, i bulkform. Dock, dessa defekter har aldrig tillverkats specifikt eller sammanväxt i tvådimensionella nanoark.

"Att göra ultraselektiva tunnfilmsmembran och hierarkiska katalysatorer genom att finjustera frekvensen och fördelningen av sammanväxter av porösa ramverk är ett koncept som introducerades av vår forskargrupp för ett decennium sedan, " sa Tsapatsis. "Upptäckten av TEM av endimensionella sammanväxter i tvådimensionella nanoark och de praktiska konsekvenserna som föreslås av modellering tar potentialen för detta koncept till en ny nivå och föreslår nya möjligheter för riktad syntes som vi inte har föreställt oss möjliga. "

Hans team hoppas nu kunna skapa heterostrukturer av MFI-MEL nanosheets som kan maximera MEL-innehållet och driva filtreringsprestandan hos de tunna filmerna till ännu högre effektivitet, som förutspåtts av labbsimuleringarna. För Mkhoyan - som driver U:s analytiska elektronmikroskopilabb, där forskning på atomär skala är daglig rutin – genombrottsfynden är en möjlighet att ytterligare förbättra sättet som mikroskop används för att studera nanomaterial i detalj på atomnivå.