能源部SLAC國家加速器實驗室和斯坦福大學的科學家們已經在分子籠內拍攝了第一批二氧化碳分子圖像 - 高度多孔納米粒子稱為MOF或金屬有機骨架，具有很大的分離能力。儲存氣體和液體。

這些圖像由Stanford-SLAC Cryo-EM設施制作，在其籠中展示了兩種CO2分子配置，科學家稱之為客體 - 主體關系; 揭示籠子隨著二氧化碳的進入而略微膨脹; 并放大鋸齒邊緣，MOF顆粒可能會通過增加更多的籠子來增長。

“這是一項突破性的成就，肯定會對這些高度多孔結構如何發揮其特殊功能帶來前所未有的見解，并證明了冷凍EM在解決MOF化學中特別棘手的問題方面的強大功能，”Omar Yaghi說道。加州大學伯克利分校的教授，以及這個化學領域的先驅，他沒有參與這項研究。

由SLAC / Stanford教授Yi Cui和Wah Chiu領導的研究小組今天在Matter雜志上描述了這項研究。

有巨大表面的微小斑點

MOF具有任何已知材料的最大表面積。單克或百分之三盎司的表面積可以接近兩個足球場的大小，為客人分子提供足夠的空間進入數百萬個主機籠。

盡管MOF具有巨大的商業潛力和20年的激烈研究，但它們剛剛開始進入市場。全球科學家每年設計超過6,000種新型MOF顆粒，為特定任務尋找合適的結構和化學組合，例如增加儲氣罐的儲存容量或捕獲和掩埋煙囪中的二氧化碳以應對氣候變化。

“根據政府間氣候變化專門委員會的報告，將全球氣溫升高限制在1.5攝氏度將需要采用某種形式的碳捕獲技術，”斯坦福大學博士后研究員，該報告的第一作者Yuzhang Li說。“這些材料具有捕獲大量二氧化碳的潛力，并且了解二氧化碳在這些多孔骨架內的結合位置對于設計更便宜，更有效的材料非常重要。”

用于觀察材料的最有效方法之一是透射電子顯微鏡或TEM，其可以以原子 - 原子細節制作圖像。但是，當暴露于這種類型成像所需的強電子束時，許多MOF以及將客體分子保持在其中的鍵合會融化成斑點。

幾年前，崔和李采用了一種多年來用于研究生物樣品的方法：凍結樣品，使其在電子轟擊下保持更好。他們在斯坦福納米共享設施中使用先進的TEM儀器，首次檢查含有樹枝狀指狀增長的鋰金屬的閃速冷凍樣品，這些樣品可以刺穿和損壞鋰離子電池 - 原子細節。

原子圖像，一次一個電子

對于這項最新研究，Cui和Li在Stanford-SLAC Cryo-EM設施中使用了儀器，這些設備具有更靈敏的探測器，可以從通過樣品的單個電子中獲取信號。這使得科學家能夠在最小化電子束曝光的同時制作原子細節圖像。

他們研究的MOF稱為ZIF-8。它的顆粒直徑僅為100億分之一米; 你需要排列大約900個以匹配人發的寬度。“它具有很高的商業潛力，因為它非常便宜且易于合成，”斯坦福大學博士后研究員Kecheng Wang表示，他在實驗中發揮了關鍵作用。“它已被用于捕獲和儲存有毒氣體。”

Cryo-EM不僅可以讓它們制作出超清晰的圖像，而且對顆粒的損害最小，而且還可以防止CO2氣體在拍照時逃逸。通過從兩個角度對樣本進行成像，研究人員能夠確認四個位置中的兩個位置，其中認為二氧化碳被弱地保持在其籠內。

“當我看到這些照片時，我感到非常興奮。這是一項非常出色的工作，”斯坦福大學教授羅伯特辛克萊說，他是使用透射電鏡研究幫助解釋團隊成果的材料的專家。“拍攝MOF內部的氣體分子是一個令人難以置信的進步。”