惰性氣體是周期表中反應(yīng)性最少的元素，它們是在非常低的溫度下從空氣中冷凝出來。因此，它們?cè)诟哂诜悬c(diǎn)的溫度下極難捕獲。日前，布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(BNL)研究人員發(fā)現(xiàn)了如何使用二維籠子捕獲稀有氣體的方法。這些籠子只有納米級(jí)或十億分之一米厚。它們可以在高于冰點(diǎn)的溫度下捕獲氬、氪和氙的原子。惰性氣體很難用其他方法捕獲，因?yàn)樗鼈冊(cè)谶h(yuǎn)低于冰點(diǎn)的溫度下才能凝結(jié)。該研究利用密度泛函理論（DFT）和X射線光電子能譜（XPS）的計(jì)算量子建模方法對(duì)納米籠進(jìn)行研究。
Illustration of Individual atoms of Ar, Kr, and Xe getting trapped in a 2D-array of hexagonal prism silicate nanocages
稀有氣體在極低的溫度下冷凝，從氡氣在華氏零下80度以下到氙氣的華氏零下452度以下。科學(xué)家、工業(yè)界、能源公司和其他公司都需要在高于沸點(diǎn)的溫度下捕獲惰性氣體。然而，捕獲這些元素的原子是極其困難的，因?yàn)榇蠖鄶?shù)納米材料產(chǎn)生的捕獲力很弱，這些材料只有十億分之一米厚。國(guó)家同步輻射光源II（NSLS-II）和功能納米材料中心研究人員現(xiàn)在已經(jīng)確定了超薄二氧化硅和鋁硅酸鹽晶體籠在80華氏度捕獲氬、氪或氙時(shí)二維納米化合物是如何形成的。研究人員使用XPS和DFT來說明這些被稱為籠形化合物的陷阱是如何形成的，這些陷阱是由稀有氣體原子的化學(xué)變化所支持的新型活化的物理吸附機(jī)制形成的。計(jì)算是在科學(xué)數(shù)據(jù)和計(jì)算中心以及美國(guó)能源部科學(xué)用戶設(shè)施辦公室國(guó)家能源研究科學(xué)計(jì)算中心進(jìn)行的。惰性氣體離子在進(jìn)入籠子時(shí)被中和，使它們被捕集的溫度大大高于沸點(diǎn)：氬為167華氏度，氪為437華氏度，氙為752華氏度。研究人員計(jì)算出氡可能在更高的溫度下被捕獲。由此產(chǎn)生的籠形化合物是迄今為止所報(bào)道的最薄的包合物。這一發(fā)現(xiàn)為研究稀有氣體的單個(gè)原子鋪平了道路。這項(xiàng)研究還可能為環(huán)境和健康應(yīng)用帶來新的氣體捕獲和分離方法。
布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(BNL)隸屬美國(guó)能源部（DOE），該實(shí)驗(yàn)室成立于1947年，歷史上該實(shí)驗(yàn)室所取得的發(fā)現(xiàn)/發(fā)明曾5次獲得過諾貝爾獎(jiǎng)。耗資9.12億美元的該實(shí)驗(yàn)室國(guó)家同步輻射光源II（NSLS-II）2015年正式運(yùn)行，是美國(guó)并在一定能量范圍內(nèi)也是全球最亮的同步輻射光源。該實(shí)驗(yàn)室功能納米材料中心(Center for Functional Nanomaterials, CFN)主要研究納米級(jí)材料和工藝的獨(dú)特性能。CFN是一個(gè)以用戶為導(dǎo)向的研究中心，它的雙重使命是為納米科學(xué)研究領(lǐng)域提供一個(gè)開放的設(shè)施，并推動(dòng)應(yīng)對(duì)國(guó)家能源挑戰(zhàn)的納米材料科學(xué)的發(fā)展。
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