明尼苏达大学 透射电子显微镜下的原子尺度细节揭示了多孔结构的多孔硅纳米片，其中有金属元素的共生
信用:库马尔等
明尼苏达大学 由明尼苏达大学副教授K领导的国际科学家和工程师团队
安德烈·姆霍扬(Andre Mkhoyan)和退休教授迈克尔·查帕西(Michael Tsapatsis)(目前是约翰·霍普金斯大学的彭博社杰出教授)有一项发现，可以进一步推动超薄沸石纳米片的使用，这种纳米片被用作专门的分子过滤器
这一发现可以提高汽油、塑料和生物燃料的生产效率
明尼苏达大学双城分校利用强大的高分辨率透射电子显微镜(TEM)实现了对多孔材料(一种称为MFI的沸石)二维结构中一维缺陷的突破性发现
通过以前所未有的细节对MFI纳米片的原子结构进行成像，研究人员发现，这些一维缺陷导致了独特的增强纳米片结构，极大地改变了纳米片的过滤性能
该发现发表在《自然材料》杂志上
“在原子尺度上对薄沸石晶体进行透射电镜成像一直是一个长期的挑战，因为这些晶体很容易被原子尺度成像所需的高能电子损坏，”高级透射电镜和射线衍射专家姆霍扬说
玛丽·特呢
明尼苏达大学科学与工程学院化学工程与材料科学系约翰逊/梅恩塑料教授
“这需要深入了解沸石晶体的电子束损伤机制以及沸石可以承受的电子束剂量
这项工作突破了电子显微镜的极限，我们可以可靠地制作出这种极薄(只有3纳米厚)的一维共生沸石纳米片的原子分辨率图像
" 经过近五年的研究，明尼苏达大学双城科学与工程学院的毕业生普拉尚特·库马尔发现了这两种材料之间的细微差别
“在我的整个博士生涯中，我一直被MFI晶体中美丽的对称图案所吸引
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这项研究的主要作者库马尔说
“在盯着透射电子显微镜中嘈杂的图像看了无数个小时后，我终于看到了MFI纳米片透射电子显微镜图像中的对称性破缺——我知道这很不寻常
" 尽管存在细微的差异，但这种一种沸石在另一种沸石中织成的线对纳米片识别和选择性运输分子的能力产生了显著的影响，从而实现选择性分离和催化
明尼苏达大学教授特里安·杜米特里卡(机械工程)和伊尔佳·西普曼(化学)领导模拟实验来测试这种模式和性能
他们的发现表明，针织材料对压力的反应较弱，在根据大小和形状分离分子时更具选择性
由这些用于实验室模拟的增强纳米片制成的膜是由查帕兹领导的研究小组制造的，并由埃克森美孚公司的分离和过程化学负责人本杰明·麦克库尔在工业条件下进行了测试
后者导致了创纪录的过滤性能——对二甲苯和邻二甲苯的分离效率是查帕兹集团迄今为止报告的五倍
MFI沸石是一种由硅和氧原子组成的多孔结构，以前人们知道它是以一维结构生长的，或者是一种称为MEL的块状沸石
然而，这些缺陷从未在二维纳米片中被特别制造或共生
“通过微调多孔框架共生的频率和分布来制造超选择性薄膜和分级催化剂是我们的研究小组十年前提出的概念，”Tsapatsis说
“通过透射电子显微镜在二维纳米片上发现一维共生现象，以及通过建模提出的实际意义，将这一概念的潜力提高到了一个新的水平，并为我们想象不到的定向合成提供了新的机会
" 他的团队现在希望创建MFI-MEL纳米片的异质结构，能够最大化MEL含量，并将薄膜的过滤性能推向更高的效率，正如实验室模拟所预测的那样
对于管理美国分析电子显微镜实验室的姆霍扬来说，这一突破性发现是一个机会，可以进一步改进显微镜在原子级细节上研究纳米材料的方式
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