PNNL Mendapat X-Ray Vision

PNNL Mendapat X-Ray Vision


oleh Corydon Ireland

Newswise – Selama setahun terakhir, tiga perangkat spektroskopi sinar-X skala kecil yang tersimpan di Laboratorium Nasional Pacific Northwest (PNNL) telah mulai secara dramatis mempercepat pengujian dan analisis bahan baru kandidat yang digunakan dalam penelitian penyimpanan energi dan perbaikan lingkungan.

Mereka juga diharapkan dapat mengurangi jumlah perjalanan penelitian di luar lokasi yang mahal.

Ukuran lemari es yang berdiri sendiri, perangkat didasarkan pada spektroskopi serapan sinar-x (XAS) dan spektroskopi emisi sinar-X (XES). Keduanya menggunakan sinar x-ray untuk menyelidiki struktur di dekat atom tertentu.

Dengan tiga instrumen tersebut, dan dengan satu yang didedikasikan untuk karakterisasi radiokimia, PNNL memiliki kemampuan lebih dari kebanyakan lokasi penelitian AS lainnya.

Bekerja di daerah atom

Versi XAS yang disempurnakan, yang disebut spektroskopi struktur halus serapan sinar-X (XAFS), menggunakan interferensi elektron yang dilepaskan oleh eksitasi dengan sinar-X untuk membedakan geometri struktur lokal di wilayah atom.

Pada gilirannya, XES memiliki kepekaan yang kuat terhadap spin dan bilangan oksidasi ion, yang terkait dengan elektron reaktif dan tidak berpasangan, dan dengan spesi di dalam ligan atom. (Ligan adalah ion atau molekul yang mengikat atom logam pusat dan sering kali menentukan reaktivitasnya, sifat yang penting dalam katalisis dan geosains.)

PNNL memiliki satu XAFS dan satu XES yang bertempat di ruang bawah tanah gedung Laboratorium Ilmu Fisika (PSL), di mana mereka digunakan untuk penelitian tentang material, penyimpanan energi, dan katalisis.

Perangkat XAFS kedua ada di Radiochemical Processing Laboratory (RPL) sekitar setengah mil timur laut di 300 Area Hanford. Ini digunakan untuk menyelidiki teknologi reaktor garam cair, yang menguji ketahanan lingkungan dari bahan yang dirancang untuk reaktor dengan garam cair sebagai pendingin.

Sinar-X yang merangsang elektron

Teknologi absorpsi sinar-X berpusat pada fakta bahwa elektron tingkat inti dalam sebuah atom memiliki energi pengikat yang dapat tereksitasi dengan sinar-X. Kunci analitiknya adalah bahwa energi sinar-X yang digunakan untuk merangsang elektron berbeda secara unik untuk setiap elemen dalam Tabel Periodik.

Setiap perangkat PNNL, yang ditempatkan dalam wadah baja dan ditutup dengan tutup hidrolik, dibedakan menurut sumber tenaganya serta metode penempatan sampelnya. Masing-masing beratnya 1.500 pon – kira-kira seberat sapi Holstein.

Akhirnya, perangkat XAFS dan XES di PSL akan dipindahkan ke Pusat Ilmu Energi (ESC) yang sekarang sedang dibangun di sudut barat laut kampus PNNL. Itu dijadwalkan untuk dibuka pada 2021.

ESC, investasi federal $ 90 juta dengan ruangan untuk 225 PNNL dan ilmuwan tamu, akan memamerkan dan mempercepat penelitian energi fundamental yang berfokus pada kimia, material, dan komputasi.

‘Presisi sangat tinggi’

Saat dinyalakan, mesin putih setinggi pinggang ini menembakkan sinar X yang dapat disetel melalui berbagai media untuk menargetkan sampel yang dipasang. Dalam kasus perangkat XAFS, sampel sebagian besar adalah logam dan larutan yang disintesis PNNL – kandidat untuk meningkatkan katalisis dan bahan yang digunakan untuk menyimpan atau mengubah energi.

Meningkatkan katalisis merupakan fokus penelitian yang mendesak di PNNL. Salah satu tujuan katalisis adalah menemukan cara untuk mempercepat proses konversi kimia – seperti mengubah sampah kota menjadi bahan bakar yang berguna – dengan menggunakan suhu yang lebih rendah, tekanan yang lebih rendah, dan energi yang lebih sedikit.

Sebagian besar proses katalitik memerlukan katalis logam transisi untuk mendorong reaksi. Untuk memahami mekanisme reaksi secara mendasar, kata ilmuwan PNNL John Fulton, “penting untuk secara langsung menyelidiki keadaan kimiawi dari spesies katalitik yang sebenarnya.”

Uniknya, XAFS dapat memilih satu jenis logam dalam campuran reaksi yang sangat kompleks. Dari sana, dengan presisi sangat tinggi, teknologi dapat menyelidiki keadaan kimiawi yang tepat dari spesies logam tersebut dan lingkungan molekul lokalnya.

Mendapatkan XAFS dan XAS ke PNNL

Oliver Y. Gutiérrez, seorang insinyur kimia PNNL, memimpin upaya untuk mendapatkan perangkat spektroskopi sinar-X di kampus. Fulton, yang merupakan penasihat utama PNNL untuk analisis dan interpretasi data XAFS, ada di sana untuk membantu.

Fulton adalah veteran dari banyak eksperimen menggunakan XAFS yang dilakukan pada sinkrotron – akselerator elektron yang dapat menekuk, memfokuskan, dan mempercepat berkas elektron untuk menghasilkan berkas sinar-X yang cemerlang. Selanjutnya, sinar-X ini digunakan untuk menganalisis sampel pada tingkat atom.

“John (Fulton) adalah pelopor dalam menggunakan spektroskopi sinar-x untuk memecahkan masalah yang melibatkan katalisis,” kata ahli geokimia PNNL tujuh tahun dan ilmuwan material Carolyn Pearce. Dia biasanya melakukan studinya secara luas, sumber cahaya synchrotron yang didanai DOE di mana para ilmuwan dari seluruh dunia dialokasikan “waktu pancaran” yang berharga untuk menyelesaikan penelitian mereka.

Menganalisis data absorpsi itu menantang karena memerlukan pemahaman tentang fisika teoretis dan kimia teoretis, kata Fulton. Itu diperlukan untuk memperkirakan bagaimana elektron berinteraksi dengan inti atom dan dengan atom terdekat.

Simulasi dan interpretasi spektrum sinar-X juga bergantung pada kemajuan teoretis. Perkembangan ini dipimpin oleh fisikawan PNNL Niri Govind, bekerja sama dengan ahli kimia komputasi di PNNL. Tim mengembangkan kemampuan sebagai bagian dari program kimia komputasi NWChem open-source, upaya kolaboratif yang dipertahankan di PNNL.

Salah satu kemajuan terbaru dalam teori adalah kemampuan untuk menjelaskan secara kuantitatif bagaimana elektron tereksitasi berinteraksi dengan inti atom. Mengukur wilayah spektrum XAFS ini menunjukkan salah satu kekuatan mesin baru ini.

“Sangat menarik,” kata Govind, “Perkembangan teoretis internal meningkatkan kemampuan kami untuk menghitung dan menafsirkan spektrum sinar-X dari instrumen ini.”

Era PNNL baru

Di situs PNNL, Pearce dan staf ilmuwan senior PNNL Timothy Droubay melakukan banyak pekerjaan analisis. Sampel yang mereka persiapkan meliputi, misalnya, kerangka organik logam nikel percobaan dan bahan baterai kandidat.

Setiap sampel dijalankan melalui mesin press pelet, lalu dipasang pada roda sampel bermotor. Roda dapat menampung hingga tujuh sampel sekaligus dan dapat dimanipulasi dari jarak jauh untuk dijalankan semalaman.

Dari sana, sumber energi sinar-X berdaya tinggi mengarahkan sinar ke kristal monokromator lengkung, sering kali terbuat dari silikon, yang mengarahkan ulang panjang gelombang tertentu melalui sekotak helium untuk mengurangi tingkat penyerapan. Helium menyerap lebih sedikit sinar x-ray daripada udara.

“Ini seperti prisma,” kata Pearce tentang kristal. “Semua cahaya masuk dan Anda dapat mengarahkan satu panjang gelombang cahaya ke sampel.”

Setelah melewati helium, berkas tersebut menembus sampel sebelum mencapai detektor dan membuat data.

Sinar x-ray dilindungi sehingga hanya melewati sampel dan tidak melewati yang lain.

Pemeriksaan langsung keadaan kimiawi

Fulton mengatakan pengembangan XAFS modern dimulai dengan makalah penting tahun 1971 oleh para peneliti di University of Washington dan Boeing Scientific Laboratories. Dalam 50 tahun sejak itu, para peneliti di fasilitas sinkrotron utama di seluruh dunia telah menggunakan XAFS dengan kecepatan tinggi.

Kemudian masuk ke dunia teknologi penyerapan sinar X skala laboratorium, termasuk EasyXAFS, sebuah perusahaan yang berbasis di Seattle, yang memasok instrumentasi baru PNNL.

“Selama beberapa dekade, para peneliti telah memimpikan perangkat XAFS ‘benchtop’,” kata Fulton. “Mimpi itu akhirnya terwujud.”

Namun, perangkat XAFS mini memiliki batasan. Pertama, mereka berurusan terutama dengan satu set terbatas yang disebut logam transisi “baris pertama”. Selain itu, intensitas sinar-X pada perangkat kecil ini “sederhana jika dibandingkan dengan sinkrotron,” kata Fulton.

Tetapi bahkan dengan keterbatasan seperti itu, kata Fulton, mesin baru tersebut “memenuhi persyaratan untuk berbagai proyek penelitian energi yang sedang berlangsung di PNNL”.

Elektron, melompat dan terlontar

Kunci XAS dan XES adalah sumber sinar-X yang merdu. Mereka menggairahkan sebuah elektron inti untuk melompat dari tingkat orbitalnya ke yang lain atau untuk dikeluarkan dari atom sama sekali dan dihamburkan oleh atom lain.

Proses-proses tersebut, kata Fulton, “secara unik mengungkapkan keadaan elektronik lengkap atom dan juga memberikan informasi tentang jenis dan susunan atom di dekatnya hingga ketepatan kira-kira seperseratus angstrom.”

Satu angstrom, panjangnya seperseratus juta sentimeter, adalah satuan ukuran tipikal untuk jarak dalam atom atau molekul.

Di PNNL, sampel yang digunakan dalam XAS dan XES sering kali merupakan katalis logam dalam fasa padat atau cair. Tetapi Fulton dan yang lainnya sedang membangun perangkat yang akan memungkinkan katalis kandidat untuk diuji dalam sistem reaksi panas hingga 400 derajat Celcius ― 752 derajat Fahrenheit ― dan dengan tekanan setinggi 100 bar. Itu seratus kali lebih tinggi dari tekanan atmosfer di permukaan laut.

“Ini adalah sel sampel pertama dari jenisnya,” kata Pearce dari inovasi Fulton, dan memungkinkan sampel air dianalisis di bawah suhu dan tekanan – kondisi yang dialami katalis dalam industri. “Itu sangat penting.”

Ke katalis keadaan berair

Generasi baru katalis dalam keadaan berair adalah subjek studi intensif di PNNL, dipimpin oleh Gutiérrez. Dia adalah bagian dari tim multidisiplin dalam Institut Katalisis Terpadu lab, yang mencakup program katalisis Ilmu Energi Dasar DOE dan Inisiatif Transformasi Kimia PNNL.

Melihat katalis fase air masuk akal karena sumber karbon untuk biorefineries mengandung banyak air – limbah pertanian dan tanaman biomassa, misalnya. Menggunakan sumber tersebut membutuhkan pemahaman tentang kimia katalitik fase cair lebih baik daripada yang kita lakukan sekarang.

Memiliki kapasitas XAS dan XES sendiri berarti PNNL dapat membantu menutup kesenjangan pengetahuan penting dalam penyimpanan energi dan ilmu material.

“Semakin banyak,” kata Pearce, “serapan x-ray dan spektroskopi emisi menjadi berguna untuk memahami detail yang mengontrol bagaimana kita mengubah bahan kimia dan menyimpan serta melepaskan energi dalam ikatan kimia.”


Diposting Oleh : https://singaporeprize.co/

About the author