Изображения, сделанные на Крио-ЭМ-объектах Stanford-SLAC, показывают две конфигурации молекулы CO2 в клетке, которые ученые называют отношениями гость-хозяин; выявить, что клетка немного расширяется при попадании СО2; и увеличьте зазубренные края, где частицы MOF могут расти, добавив больше клеток.
«Это новаторское достижение, которое, несомненно, принесет беспрецедентное понимание того, как эти высокопористые структуры выполняют свои исключительные функции, и демонстрирует силу крио-ЭМ для решения особенно сложной проблемы в химии MOF», – сказал Омар Яги, профессор Калифорнийского университета в Беркли и пионер в этой области химии, не участвовавший в исследовании.
Группа исследователей, возглавляемая профессорами SLAC / Стэнфорд И Цуй и Вах Чиу, описала исследование сегодня в журнале Matter.
Крошечные пятнышки с огромной поверхностью
MOF имеют самую большую площадь поверхности из всех известных материалов. Один грамм, или триста унций, может иметь площадь поверхности размером почти с два футбольных поля, предлагая достаточно места для молекул-гостей, чтобы проникнуть в миллионы клеток-хозяев.
Несмотря на их огромный коммерческий потенциал и два десятилетия интенсивных, ускоряющихся исследований, MOF только сейчас начинают выходить на рынок. Ученые со всего мира разрабатывают более 6000 новых типов частиц MOF в год, ища правильные комбинации структуры и химического состава для конкретных задач, таких как увеличение емкости газовых баллонов или улавливание и захоронение CO2 из дымовых труб для борьбы с изменением климата.
"По данным Межправительственной группы экспертов по изменению климата, ограничение повышения глобальной температуры до 1.5 градусов Цельсия потребует какой-то технологии улавливания углерода ", – сказал Юйчжан Ли, научный сотрудник Стэнфордского университета и ведущий автор отчета. «Эти материалы могут улавливать большие количества CO2, и понимание того, где CO2 связан внутри этих пористых структур, действительно важно при разработке материалов, которые делают это более дешевым и эффективным."
Одним из самых эффективных методов наблюдения за материалами является просвечивающая электронная микроскопия, или ПЭМ, которая позволяет получать изображения с детализацией атом за атомом.
Но многие MOF и связи, которые удерживают в них гостевые молекулы, плавятся в капли под воздействием интенсивных электронных лучей, необходимых для этого типа визуализации.
Несколько лет назад Цуй и Ли приняли метод, который использовался в течение многих лет для изучения биологических образцов: заморозить образцы, чтобы они лучше выдерживали бомбардировку электронами. Они использовали усовершенствованный прибор ТЕМ на Стэнфордском Нано Совместном Производстве, чтобы исследовать мгновенно замороженные образцы, содержащие дендриты – похожие на пальцы наросты металлического лития, которые могут пробить и повредить литий-ионные батареи – впервые в атомарных деталях.
Атомные изображения, по одному электрону за раз
Для этого последнего исследования Куи и Ли использовали инструменты Крио-ЭМ-оборудования Стэнфорд-SLAC, которые имеют гораздо более чувствительные детекторы, которые могут улавливать сигналы от отдельных электронов, проходящих через образец. Это позволило ученым делать изображения с атомными деталями, сводя к минимуму воздействие электронного луча.
Изученный ими МОФ называется ЗИФ-8. Он состоял из частиц диаметром всего 100 миллиардных метра; вам нужно будет выровнять около 900 из них, чтобы они соответствовали ширине человеческого волоса. «Он имеет высокий коммерческий потенциал, потому что он очень дешев и легко синтезируется», – сказал научный сотрудник Стэнфордского университета Кеченг Ван, сыгравший ключевую роль в экспериментах. "Он уже используется для улавливания и хранения токсичных газов."
Cryo-EM не только позволял им делать сверхчеткие изображения с минимальным повреждением частиц, но также не позволял газу CO2 улетучиваться во время съемки. Получив изображение образца под двумя углами, исследователи смогли подтвердить положения двух из четырех участков, где, как считается, СО2 слабо удерживается внутри клетки.
"Я был очень взволнован, когда увидел фотографии. Это блестящая работа ", – сказал профессор Стэнфордского университета Роберт Синклер, эксперт по использованию ТЕА для изучения материалов, который помог интерпретировать результаты команды. «Съемка молекул газа внутри MOF – невероятный шаг вперед."
Основное финансирование этого исследования поступило от Национальных институтов здравоохранения и Министерства энергетики США.