Under de senaste åren, forskare har visat hur burliknande, porösa strukturer gjorda av kisel och syre och som bara mäter en miljarddels meter i storlek kan fånga in ädelgaser som argon, krypton, och xenon. Dock, för att dessa kiseldioxid-nanocages ska vara praktiskt användbara – till exempel, för att förbättra effektiviteten i kärnenergiproduktionen – de måste skalas upp från sina labbversioner. Forskarna har nu tagit ett steg framåt för att föra denna teknik ut ur labbet och in i den verkliga världen. Som de nyligen rapporterade i Små, kommersiellt tillgängliga material kan ge en potentiellt skalbar plattform för att fånga ädelgaser.

"Att göra en kvadratcentimeter av våra nanocages i labbskala, som bara kan fånga in nanogram gas, tar oss ett par veckor och kräver dyra startkomponenter och utrustning, " sa medkorrespondent författare Anibal Boscoboinik, en materialvetare i Interface Science and Catalysis Group vid Center for Functional Nanomaterials (CFN), en användaranläggning för vetenskapskontoret i USA:s energidepartement (DOE) vid Brookhaven National Laboratory. "Det finns kommersiella processer för att syntetisera tonvis av dessa kiseldioxid-nanocages, som är så billiga att de används som tillsatser i betong. Dock, dessa kommersiella material fångar inte ädelgaser, så en utmaning för att skala vår teknik var att förstå vad som är speciellt med våra nanocages."

En oväntad upptäckt

Boscoboinik har lett forskningen på nanocages vid CFN sedan 2014, efter en handling av serendipity. Han och kollegor hade precis avslutat ett katalysexperiment med kiseldioxid-nanokagar avsatta på toppen av en enda kristall av ruteniummetall när de märkte att enskilda atomer av argongas hade fastnat inuti strukturens nanostora porer. Med detta oavsiktliga fynd, de blev den första gruppen att fånga en ädelgas inuti en tvådimensionell (2D) porös struktur vid rumstemperatur. Under 2019, de fångade två andra ädelgaser inne i burarna:krypton och xenon. I denna andra studie, de lärde sig att för att fångsten skulle fungera, två processer behövde ske:gasatomer måste omvandlas till joner (elektriskt laddade atomer) innan de gick in i burarna, och burarna var tvungna att vara i kontakt med ett metalliskt stöd för att neutralisera jonerna när de väl var inne i burarna – vilket effektivt fångar dem på plats.

Med denna förståelse, år 2020, Boscoboinik och hans team lämnade in en patentansökan, nu väntar. Samma år, genom dess Technology Commercialization Fund (TCF), DOE Office of Technology Transitions valde ett forskningsförslag som lagts fram av CFN i samarbete med Brookhaven Nuclear Science and Technology Department och Forge Nano för att skala upp de labbutvecklade nanocages. Målet med denna uppskalning är att maximera ytan för att fånga krypton och xenon, båda produkterna från kärnklyvningen av uran. Att fånga dem är önskvärt för att förbättra effektiviteten hos kärnreaktorer, förhindra driftsfel på grund av ökande gastryck, minska radioaktivt kärnavfall, och upptäcka kärnvapenprov.

En början på uppskalning

Parallellt med TCF-satsningen, CFN-teamet började självständigt utforska hur de kunde skala nanocages för praktiska tillämpningar, kärnkraft och vidare. Under deras utforskningar, CFN-teamet hittade företaget som tillverkar stora volymer av kiseldioxidnanocages, i form av ett pulver. Istället för att deponera nanocages på enstaka kristaller av rutenium, teamet deponerade dem på tunna filmer av rutenium, som är mindre kostsamma. Till skillnad från de labbbaserade nanocages, dessa nanocages har organiska (kolhaltiga) komponenter. Så, efter att ha deponerat burarna på de tunna filmerna, de värmde upp materialet i en oxiderande miljö för att bränna bort dessa komponenter. Dock, burarna skulle inte fånga några gaser.

"Vi fann att metallen måste vara i metalliskt tillstånd, " sa första författaren Yixin Xu, en doktorand vid avdelningen för materialvetenskap och kemiteknik vid Stony Brook University. "Medan man bränner de organiska komponenterna, vi oxiderar delvis rutenium. Vi behöver värma upp materialet igen i väte eller annan reducerande miljö för att få metallen tillbaka till sitt metalliska tillstånd. Sedan, metallen kan fungera som en elektronkälla för att neutralisera gasen inuti burarna."

Nästa, CFN-forskarna och deras medarbetare från Stony Brook University testade om det nya materialet fortfarande skulle fånga in gaserna. Att göra så, de utförde omgivande tryck röntgenfotoelektronspektroskopi (AP-XPS) vid in situ och Operando Soft X-ray Spectroscopy (IOS) strållinje vid National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), en annan DOE Office of Science User Facility vid Brookhaven Lab. I AP-XPS, Röntgenstrålar exciterar ett prov, vilket gör att elektroner emitteras från ytan. En detektor registrerar antalet och kinetiska energin hos emitterade elektroner. Genom att plotta denna information, forskare kan sluta sig till provets kemiska sammansättning och kemiska bindningstillstånd. I den här studien, röntgenstrålarna var inte bara viktiga för mätningarna utan också för att jonisera gasen – här, xenon. De startade experimentet vid rumstemperatur och ökade gradvis temperaturen, hitta det optimala området för fångst (350 till 530 grader Fahrenheit). Utanför detta intervall, effektiviteten börjar minska. Vid 890 grader Fahrenheit, det fångade xenonet frigörs helt. Boscoboinik liknar denna komplexa temperaturberoende process med att en hissdörr öppnas och stängs.

"Föreställ dig att dörren öppnas och stängs extremt snabbt, " sa Boscoboinik. "Du skulle behöva springa extremt fort för att komma in. Som en hiss, nanocages har en por "mun" som öppnar och stängs. Hastigheten med vilken burarna öppnar och stänger måste vara en bra matchning med hastigheten med vilken upphettade gasjoner rör sig för att maximera chansen att joner kommer in i burarna och blir neutraliserade."

Efter dessa experiment, forskare från Universidad Nacional de San Luis i Argentina och University of Pennsylvania validerade denna hissdörrhypotes. Genom att tillämpa Monte Carlo-metoder - matematiska tekniker för att uppskatta möjliga utfall av osäkra händelser - modellerade de den mest sannolika hastigheten för jonerna vid olika gastemperaturer. En annan samarbetspartner vid Catalysis Center for Energy Innovation beräknade energierna som krävs för att xenon ska komma ut ur burarna.

"Dessa studier gav oss information om de mekanistiska aspekterna av processen, speciellt på termiska effekter, " förklarade medkorrespondent författare och CFN-postdoktor Matheus Dorneles de Mello.

På varandra följande steg för skalning

Nu, forskarna kommer att tillverka materialen med stor yta (ett par hundra kvadratmeter) och se om de fortsätter att fungera som önskat. De kommer också att undersöka mer praktiska sätt att jonisera gasen.

Teamet överväger flera potentiella tillämpningar för sin teknik. Till exempel, nanocages kanske kan fånga ädelgaser som xenon och krypton från luften på ett mer energieffektivt sätt. För närvarande, dessa gaser separeras från luften genom en energikrävande process där luften måste kylas till extremt låga temperaturer.

Xenon och krypton används för att tillverka många produkter, såsom belysning. En av de viktigaste användningsområdena för xenon är i högintensiva urladdningslampor, inklusive några ljusa vita bilstrålkastare. Likaså, krypton används för flygplatsljus och fotografiska blixtar för höghastighetsfotografering.

Med tanke på tidigare teoretiska beräkningar, teamet tror att deras process också borde kunna fånga in radioaktiva ädelgaser, inklusive radon. Vanligtvis i källare och lägre nivåer av byggnader, radon kan skada lungceller, kan leda till cancer. Denna förmåga att fånga in radioaktiva ädelgaser skulle vara relevant för flera tillämpningar, som att mildra frigjorda radioaktiva gaser, övervakning av icke-spridning av kärnvapen, och producera medicinskt relevanta isotoper. CFN-teamet utforskar den medicinska tillämpningen i samarbete med Medical Isotope Research and Production Program vid Brookhaven.

"Inom ytvetenskap, grundläggande studier leder inte ofta till användbara produkter direkt, ", sa Boscoboinik. "Vi försöker snabbt gå över till att göra något effektfullt med dessa material genom att öka komplexiteten ett steg i taget."