惰性气体是周期表中反应性最少的元素，它们是在非常低的温度下从空气中冷凝出来。因此，它们在高于沸点的温度下极难捕获。日前，布鲁克海文国家实验室(BNL)研究人员发现了如何使用二维笼子捕获稀有气体的方法。这些笼子只有纳米级或十亿分之一米厚。它们可以在高于冰点的温度下捕获氩、氪和氙的原子。惰性气体很难用其他方法捕获，因为它们在远低于冰点的温度下才能凝结。该研究利用密度泛函理论（DFT）和X射线光电子能谱（XPS）的计算量子建模方法对纳米笼进行研究。

 

Illustration of Individual atoms of Ar, Kr, and Xe getting trapped in a 2D-array of hexagonal prism silicate nanocages

稀有气体在极低的温度下冷凝，从氡气在华氏零下80度以下到氙气的华氏零下452度以下。科学家、工业界、能源公司和其他公司都需要在高于沸点的温度下捕获惰性气体。然而，捕获这些元素的原子是极其困难的，因为大多数纳米材料产生的捕获力很弱，这些材料只有十亿分之一米厚。国家同步辐射光源II（NSLS-II）和功能纳米材料中心研究人员现在已经确定了超薄二氧化硅和铝硅酸盐晶体笼在80华氏度捕获氩、氪或氙时二维纳米化合物是如何形成的。研究人员使用XPS和DFT来说明这些被称为笼形化合物的陷阱是如何形成的，这些陷阱是由稀有气体原子的化学变化所支持的新型活化的物理吸附机制形成的。计算是在科学数据和计算中心以及美国能源部科学用户设施办公室国家能源研究科学计算中心进行的。惰性气体离子在进入笼子时被中和，使它们被捕集的温度大大高于沸点：氩为167华氏度，氪为437华氏度，氙为752华氏度。研究人员计算出氡可能在更高的温度下被捕获。由此产生的笼形化合物是迄今为止所报道的最薄的包合物。这一发现为研究稀有气体的单个原子铺平了道路。这项研究还可能为环境和健康应用带来新的气体捕获和分离方法。

 

布鲁克海文国家实验室(BNL)隶属美国能源部（DOE），该实验室成立于1947年，历史上该实验室所取得的发现/发明曾5次获得过诺贝尔奖。耗资9.12亿美元的该实验室国家同步辐射光源II（NSLS-II）2015年正式运行，是美国并在一定能量范围内也是全球最亮的同步辐射光源。该实验室功能纳米材料中心(Center for Functional Nanomaterials, CFN)主要研究纳米级材料和工艺的独特性能。CFN是一个以用户为导向的研究中心，它的双重使命是为纳米科学研究领域提供一个开放的设施，并推动应对国家能源挑战的纳米材料科学的发展。

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