I punti contano quando si progettano nanoparticelle che guidano importanti reazioni chimiche utilizzando il potere della luce.

I ricercatori del Laboratory for Nanophotonics (LANP) della Rice University sanno da tempo che la forma di una nanoparticella influenza il modo in cui interagisce con la luce, e il loro ultimo studio mostra come la forma influenzi la capacità di una particella di utilizzare la luce per catalizzare importanti reazioni chimiche.

In uno studio comparativo, Gli studenti laureati della LANP Lin Yuan e Minhan Lou ei loro colleghi hanno studiato nanoparticelle di alluminio con proprietà ottiche identiche ma forme diverse. Il più arrotondato aveva 14 lati e 24 punte smussate. Un altro era a forma di cubo, con sei lati e otto angoli a 90 gradi. Il terzo, che il team ha soprannominato "octopod, " aveva anche sei lati, ma ciascuno dei suoi otto angoli terminava con una punta appuntita.

Tutte e tre le varietà hanno la capacità di catturare energia dalla luce e rilasciarla periodicamente sotto forma di elettroni caldi super energetici che possono accelerare le reazioni catalitiche. Yuan, un chimico nel gruppo di ricerca del direttore di LANP Naomi Halas, esperimenti condotti per vedere come ciascuna delle particelle si comportava come fotocatalizzatori per la reazione di dissociazione dell'idrogeno. I test hanno mostrato che i polpi avevano una velocità di reazione 10 volte superiore rispetto ai nanocristalli a 14 lati e cinque volte superiore ai nanocubi. Gli octopodi avevano anche un'energia di attivazione apparente inferiore, circa il 45% in meno rispetto ai nanocubi e il 49% in meno rispetto ai nanocristalli.

"Gli esperimenti hanno dimostrato che gli angoli più acuti aumentano l'efficienza, " ha detto Yuan, co-autore principale dello studio, che è pubblicato sulla rivista dell'American Chemical Society ACS Nano. "Per i polpi, l'angolo degli angoli è di circa 60 gradi, rispetto ai 90 gradi per i cubi e punti più arrotondati sui nanocristalli. Quindi minore è l'angolo, maggiore è l'aumento delle efficienze di reazione. Ma quanto piccolo può essere l'angolo è limitato dalla sintesi chimica. Questi sono cristalli singoli che preferiscono determinate strutture. Non puoi ottenere una nitidezza infinitamente maggiore."

Lou, un fisico e co-autore dello studio nel gruppo di ricerca di Peter Nordlander della LANP, ha verificato i risultati degli esperimenti catalitici sviluppando un modello teorico del processo di trasferimento di energia degli elettroni caldi tra le nanoparticelle di alluminio attivate dalla luce e le molecole di idrogeno.

"Inputiamo la lunghezza d'onda della luce e la forma delle particelle, " Lou ha detto. "Utilizzando questi due aspetti, possiamo prevedere con precisione quale forma produrrà il miglior catalizzatore."

Il lavoro fa parte di uno sforzo in corso di chimica verde da parte di LANP per sviluppare nanocatalizzatori attivati ​​dalla luce commercialmente validi in grado di inserire energia nelle reazioni chimiche con precisione chirurgica. LANP ha già dimostrato catalizzatori per la produzione di etilene e syngas, la scissione dell'ammoniaca per produrre combustibile a idrogeno e per scomporre "prodotti chimici per sempre".

"Questo studio mostra che la forma del fotocatalizzatore è un altro elemento di progettazione che gli ingegneri possono utilizzare per creare fotocatalizzatori con velocità di reazione più elevate e barriere di attivazione inferiori, "disse Halas, Stanley C. Moore Professore di ingegneria elettrica e informatica della Rice, direttore dello Smalley-Curl Institute di Rice e professore di chimica, bioingegneria, fisica e astronomia, e scienza dei materiali e nanoingegneria.