Esaminando minuscole particelle d'oro con potenti raggi X, gli scienziati sperano di poter imparare a ridurre le emissioni nocive di monossido di carbonio dai veicoli a motore.

Il monossido di carbonio è un incolore, gas inodore e pericoloso prodotto dalle automobili, camion e altri veicoli che bruciano combustibili fossili. I sistemi di scarico utilizzano un convertitore catalitico per trasformare il monossido di carbonio in anidride carbonica non tossica, ma secondo la US Environmental Protection Agency, i veicoli a combustione sono la principale fonte di emissioni di monossido di carbonio nell'atmosfera, aggiungendo all'abbondanza di gas serra nell'aria.

Scienziati di tutto il mondo stanno lavorando per ridurre queste emissioni, e un modo per farlo è imparare di più sulle reazioni chimiche che si verificano all'interno del sistema di scarico. Queste reazioni usano spesso l'oro come catalizzatore. Mentre grandi quantità di oro sono inerti, minuscole particelle di esso sono un catalizzatore attivo nell'ossidazione del monossido di carbonio, una reazione che lo trasforma in anidride carbonica.

Aline Passos e Florian Meneau studiano questa reazione da anni. Entrambi lavorano presso il Laboratorio brasiliano della luce di sincrotrone (LNLS), Passos come chimico e Meneau come fisico. Insieme guidano un gruppo di ricerca che ha recentemente utilizzato i raggi X ultraluminosi dell'Advanced Photon Source (APS), un U.S. Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility presso l'Argonne National Laboratory del DOE, per illuminare minuscole particelle d'oro mentre catalizzavano una reazione simile a quella che avviene all'interno dello scarico di un'auto. I risultati di questa ricerca sono stati pubblicati in Comunicazioni sulla natura .

"Se riusciamo a capire meglio come funziona questa catalisi, possiamo ottimizzarlo e migliorarlo, " ha detto Passos. "Se possiamo progettare meglio i catalizzatori, possiamo controllare o limitare il monossido di carbonio".

Le proprietà di questa reazione sono ben note, Passos e Meneau dissero:ma studiare la reazione di una singola piccola particella d'oro mentre subisce questa reazione è un nuovo territorio scientifico, e possibile solo grazie alla tecnologia disponibile presso l'APS.

Per condurre questo esperimento, Passos ha sintetizzato nanoparticelle d'oro, circa 60 nanometri di diametro. (Per la scala, un foglio di carta è circa 100, 000 nanometri di spessore.) Li ha costruiti in due forme, sfere e cubi, e ha introdotto alcuni difetti chimici in alcune delle particelle, cambiando leggermente la struttura atomica per vedere se ciò ha influito sul modo in cui hanno catalizzato la reazione.

"Gli atomi in posizioni diverse cambiano, e cambiano le proprietà elettroniche e chimiche, " Meneau ha detto. "E 'ben noto come farlo. Ma prima eravamo stati in grado di esaminare solo la fase di catalisi. Non siamo stati in grado di osservare cosa cambia all'interno di una singola particella durante la reazione".

Per realizzare questo, il team brasiliano ha quindi portato queste particelle sulla linea di luce 34-ID-C presso l'APS, specializzata in quelli che vengono chiamati esperimenti di imaging "in situ". Ciò significa che i fasci di raggi X APS possono essere utilizzati per scattare foto di campioni mentre stanno subendo reazioni:variazioni di temperatura, ad esempio, o aumento della pressione, in tempo reale. In questo caso, gli scienziati hanno usato le nanoparticelle d'oro per ossidare il monossido di carbonio e hanno catturato i cambiamenti nella struttura cristallina delle particelle durante la reazione.

Wonsuk Cha, un assistente fisico con l'X-ray Science Division (XSD) di Argonne e un coautore del documento, ha lavorato per anni su esperimenti in situ su questa linea di luce. La sfida, lui dice, ha sviluppato camere per gli esperimenti compatibili con la tecnica di imaging.

"Una delle sfide è la piccola dimensione dei campioni con cui lavoriamo, " ha detto. "La dimensione del raggio è tipicamente larga 500 nanometri, e abbiamo perfezionato tecniche per monitorare la posizione del campione all'interno del fascio, che consente all'esperimento di continuare".

La tecnica utilizzata in questo esperimento è chiamata imaging di diffrazione di raggi X coerente (CDI), e Ross Harder, un fisico con XSD, è stato lo sviluppatore principale della strumentazione per quella tecnica ad Argonne dal 2008. Per gli esperimenti CDI, il fascio di raggi X diffrange dal campione e proietta un modello di informazioni su un rivelatore, e gli algoritmi informatici vengono quindi utilizzati per interpretare tali informazioni e costruirne un'immagine.

"Possiamo vedere immagini su scala nanometrica che non possiamo vedere con una luce normale, " Ha detto Harder. "Ci sono solo una manciata di sorgenti luminose al mondo in grado di fare questo esperimento".

Il risultato, Meneau ha detto, è una nuova immagine del modo in cui queste nanoparticelle sperimentano reazioni catalitiche. L'immagine che è emersa è una mappa della deformazione nella particella - una misura del cambiamento di forma quando il campione è sottoposto a stress - agli angoli e ai bordi, mostrando che queste parti delle nanoparticelle sono maggiormente coinvolte nella catalisi.

I dati mostrano anche che il ceppo può essere influenzato da cambiamenti chimici indotti, e che nanoparticelle di forma e dimensioni identiche non sperimentano questa reazione allo stesso modo. Ciò significa che la reazione stessa può essere potenzialmente modificata a livello chimico alterando il catalizzatore.

Sebbene i campioni delle dimensioni utilizzate in questo esperimento possano sembrare piccoli, la dimensione tipica per un catalizzatore d'oro nelle applicazioni industriali è di cinque nanometri di spessore, circa la larghezza di due filamenti di DNA umano. Passos e Meneau hanno detto che il prossimo passo per la loro ricerca è ridimensionarla, con l'obiettivo di catturare la reazione catalitica in campioni sempre più piccoli.

Un massiccio progetto di aggiornamento in corso presso l'APS consentirà questo ridimensionamento, loro hanno detto, così come la nuova sorgente luminosa dei LNLS, Sirio, che dovrebbe andare online nel 2021. L'aggiornamento APS aumenterà la luminosità e il flusso coerente di 100 a 1, 000 volte rispetto all'attuale APS, che migliorerà la qualità delle immagini di diffrazione.

"Sessanta nanometri sono troppo grandi per l'industria, "Meneau ha detto, "ma l'aggiornamento APS ci consentirà di esaminare campioni più piccoli. Le nuove macchine possono farlo."