Schema di un nanoreattore a guscio d'uovo:i reagenti A e B diffondono attraverso il guscio e reagiscono con C alla nanoparticella cataliticamente attiva (gialla). Attestazione:HZB
I fisici teorici hanno ideato un modello matematico di due diverse molecole che reagiscono all'interno dei cosiddetti nanoreattori che fungono da catalizzatori. Hanno acquisito nuove sorprendenti intuizioni su quali fattori promuovono le reazioni e su come controllarle e selezionarle. Il modello è rilevante per una vasta gamma di campi di ricerca, dalla biofisica ai materiali energetici.
I nanoreattori sono minuscoli sistemi che facilitano reazioni chimiche specifiche, come fa un catalizzatore. Molti si trovano nei sistemi biologici, come alcune proteine. Ma i chimici sono anche in grado di sintetizzare nanoreattori artificiali per controllare le reazioni chimiche. Una classe importante di questi nanoreattori ha un'architettura "tuorlo e guscio" simile a un uovo:una nanoparticella metallica cataliticamente attiva è circondata da un guscio costituito da una rete polimerica. Questi tipi di nanoreattori possono creare ambienti isolati per reazioni specifiche e limitarli al minuscolo spazio all'interno del guscio.
La descrizione matematica offre nuove intuizioni
"Abbiamo ora descritto matematicamente per la prima volta come vengono trasportate due diverse molecole per reagire all'interno dei nanoreattori. Il nuovo modello mostra chiaramente quali fattori favoriscono una determinata reazione", dice il dottor Rafael Roa. Roa è il primo autore della pubblicazione in Catalisi ACS e un postdoc nel gruppo guidato dal Prof. Joe Dzubiella presso l'HZB Institute for Soft Matter and Functional Materials.
Cosa conta di più?
Alcuni risultati sorprendono:contrariamente alle aspettative, la velocità di reazione non è tanto limitata dalla concentrazione delle molecole in soluzione, ma decisamente dalla permeabilità del guscio del nanoreattore. "Questo è estremamente interessante poiché i chimici oggi possono spesso mettere a punto o addirittura cambiare la permeabilità di questi gusci a molecole specifiche tramite variazioni di temperatura o altri parametri", spiega il co-autore Dr. Won Kyu Kim.
I reagenti A e B diffondono attraverso il guscio e reagiscono con il prodotto C nella nanoparticella cataliticamente attiva (gialla) all'interno. Attestazione:HZB
L'attivazione della foto è stata presa in considerazione
Il nuovo modello è un grande passo avanti rispetto alla vecchia teoria fatta molti decenni prima che poteva gestire solo una molecola. "Il nostro modello è applicabile alla ricerca sui materiali energetici, e può anche tener conto della fotoattivazione di una delle molecole al guscio da parte della luce solare", Dzubiella afferma. Ha raggiunto con questo lavoro uno degli obiettivi del suo Consolidator Grant (2015-2020) dell'European Research Council (ERC).
Le previsioni saranno messe alla prova
Il gruppo Soft Matter Theory di Dzubiella collabora con il chimico HZB Prof. Yan Lu, un esperto riconosciuto in nanoreattori sintetici. Sono ansiosi di testare le loro previsioni teoriche su sistemi reali. "Ora siamo in grado di capire meglio cosa succede, e ci aspettiamo di prevedere come gli effetti catalitici di questi tipi di nanoreattori possono essere controllati - attraverso circuiti di feedback, ad esempio, che fermerà o avvierà la reazione a piacimento."
