Un'importante nuova applicazione della tecnologia NMR a polarizzazione nucleare dinamica presso il Laboratorio Ames del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti ha portato alla capacità di esaminare la struttura chimica dei catalizzatori con una risoluzione spaziale inferiore a un picometro, o un trilionesimo di metro. Questa capacità consente agli scienziati di comprendere meglio, e progettare catalizzatori più efficaci per la produzione di combustibili e prodotti chimici di alto valore

In questo studio, i ricercatori sono stati in grado di misurare la lunghezza dei legami OH sulle strutture delle superfici catalitiche, e correlare queste lunghezze di legame all'acidità relativa del materiale.

Nella tecnologia convenzionale di risonanza magnetica nucleare (NMR), i ricercatori possono acquisire informazioni fisiche e chimiche sui materiali che stanno studiando in base al modo in cui i nuclei atomici nel campione interagiscono con un forte campo magnetico. Con lo spettrometro NMR a polarizzazione nucleare dinamica (DNP-NMR) del laboratorio di Ames, che è particolarmente adatto alla ricerca sulla chimica dei materiali, le microonde sono usate per polarizzare gli elettroni, che successivamente eccitano i nuclei del campione in analisi. Abbinato a tecniche sperimentali innovative, ciò che risulta è una lettura altamente sensibile del campione, ordini di grandezza più veloci dei metodi NMR tradizionali.

"La risonanza magnetica convenzionale allo stato solido può, in linea di principio, chiarire la struttura dei materiali con precisione su scala atomica. Però, La fondamentale mancanza di sensibilità dell'NMR spesso mette alla prova le sue applicazioni su superfici e interfacce, ed è lì che avviene la catalisi, " ha detto Marek Pruski, Scienziato senior dell'Ames Laboratory e ricercatore principale del gruppo di ricerca. "È qui che entra in gioco DNP-NMR. Con il suo segnale potenziato, fornisce uno strumento analitico unico per determinare le differenze apparentemente minuscole nella struttura dei materiali che spesso determinano le loro prestazioni."

La scoperta fa parte di un più ampio ambito di ricerca, utilizzando un isotopo dell'ossigeno difficile da misurare, ¹⁷ Oh, per analizzare materiali con DNP-NMR.

"È l'unico isotopo dell'ossigeno misurabile mediante NMR, ma purtroppo la sua abbondanza naturale è proibitivamente bassa, " disse Frédéric Perras, borsista postdottorato. "Ciò significava arricchire i vostri campioni con costosi ¹⁷ Gli isotopi O, che a volte è molto difficile, erano obbligatori. DNP-NMR fornisce una nuova strada per fare ¹⁷ O RMN, senza arricchimento isotopico."

"Questa capacità sta aprendo nuove porte alla comunità di ricerca sulla catalisi, " ha detto Igor Slowing, uno scienziato che studia catalisi eterogenea e interfacciale presso il Laboratorio Ames. "Se possiamo vedere i siti attivi dei catalizzatori a questo livello di dettaglio, possiamo iniziare a capire davvero come funzionano e poi migliorarli. Questo potrebbe avere un impatto significativo su molti settori".

La ricerca è ulteriormente discussa nel documento, "Abbondanza naturale" ¹⁷ O DNP SENS fornisce ¹⁷ Distanze O-1H con precisione sub-picometrica e approfondimenti sull'acidità di Brønsted, " scritto da Frédéric Perras, Zhuoran Wang, Pranjali Naik, Igor I. Rallentando, e Marek Pruski; e pubblicato in Angewandte Chemie .