Rappresentazione del setup sperimentale in cui nanobarre di palladio giacciono sopra nanobarre d'oro. In questa immagine, un fascio di elettroni è diretto al campione per osservare le interazioni catalitiche tra le molecole di idrogeno (in verde) e il catalizzatore di palladio. La luce che guida l'illuminazione è mostrata in rosso. Attestazione:Katherine Sytwu
Come una persona che interrompe una rissa tra gatti, il ruolo dei catalizzatori in una reazione chimica è quello di accelerare il processo e uscirne intatto. E, proprio come non tutte le case di un quartiere hanno qualcuno disposto a intervenire in una simile battaglia, non tutte le parti di un catalizzatore partecipano alla reazione. Ma cosa accadrebbe se si potessero convincere le parti non impegnate di un catalizzatore a farsi coinvolgere? Le reazioni chimiche potrebbero verificarsi più velocemente o in modo più efficiente.
Gli scienziati dei materiali della Stanford University guidati da Jennifer Dionne hanno fatto proprio questo utilizzando tecniche di fabbricazione e caratterizzazione leggere e avanzate per dotare i catalizzatori di nuove capacità.
In un esperimento di proof-of-concept, bastoncini di palladio che erano circa 1/200 della larghezza di un capello umano fungevano da catalizzatori. I ricercatori hanno posizionato queste nanobarre sopra nanobarre d'oro che hanno focalizzato e "scolpito" la luce attorno al catalizzatore. Questa luce scolpita ha cambiato le regioni sui nanotubi in cui si sono verificate le reazioni chimiche, che rilasciano idrogeno. Questo lavoro, pubblicato il 14 gennaio in Scienza, potrebbe essere un primo passo verso catalizzatori più efficienti, nuove forme di trasformazioni catalitiche e potenzialmente anche catalizzatori capaci di sostenere più di una reazione contemporaneamente.
"Questa ricerca è un passo importante nella realizzazione di catalizzatori ottimizzati dalla scala atomica alla scala del reattore, " disse Dionne, professore associato di scienza e ingegneria dei materiali, autore senior dell'articolo. "Lo scopo è capire come, con la forma e la composizione appropriate, possiamo massimizzare l'area reattiva del catalizzatore e controllare quali reazioni si verificano."
Un mini laboratorio
Il semplice fatto di poter osservare questa reazione richiedeva un microscopio eccezionale, in grado di visualizzare un processo chimico attivo su scala estremamente ridotta. "È difficile osservare come i catalizzatori cambiano in condizioni di reazione perché le nanoparticelle sono estremamente piccole, "ha detto Katherine Sytwu, un ex studente laureato nel laboratorio Dionne e autore principale dell'articolo. "Le caratteristiche su scala atomica di un catalizzatore generalmente determinano dove avviene una trasformazione, e quindi è fondamentale distinguere cosa sta succedendo all'interno della piccola nanoparticella".
Per questa particolare reazione, e gli esperimenti successivi sul controllo del catalizzatore, il microscopio doveva anche essere compatibile con l'introduzione di gas e luce nel campione.
Per realizzare tutto questo, i ricercatori hanno utilizzato un microscopio elettronico a trasmissione ambientale presso le strutture nano-condivise di Stanford con un allegato speciale, precedentemente sviluppato dal laboratorio Dionne, introdurre la luce. Come suggerisce il nome, i microscopi elettronici a trasmissione utilizzano gli elettroni per visualizzare i campioni, che consente un livello di ingrandimento maggiore rispetto a un classico microscopio ottico, e la caratteristica ambientale di questo microscopio significa che il gas può essere aggiunto in quello che altrimenti sarebbe un ambiente senz'aria.
"Fondamentalmente hai un mini laboratorio dove puoi fare esperimenti e visualizzare cosa sta succedendo a un livello quasi atomico, " ha detto Sytwu.
In determinate condizioni di temperatura e pressione, il palladio ricco di idrogeno rilascerà i suoi atomi di idrogeno. Per vedere come la luce influenzerebbe questa trasformazione catalitica standard, i ricercatori hanno personalizzato una nanobarra d'oro, progettata utilizzando apparecchiature presso la Stanford Nano-Shared Facilities e la Stanford Nanofabrication Facility, per sedersi sotto il palladio e fungere da antenna, raccogliendo la luce in arrivo e incanalandola nel vicino catalizzatore.
"Prima dovevamo capire come questi materiali si trasformano naturalmente. Poi, abbiamo iniziato a pensare a come potremmo modificare e controllare effettivamente come cambiano queste nanoparticelle, " ha detto Sytwu.
senza luce, i punti più reattivi della deidrogenazione sono le due punte del nanorod. La reazione quindi viaggia attraverso il nanorod, fuoriuscire idrogeno lungo la strada. Con la luce, però, i ricercatori sono stati in grado di manipolare questa reazione in modo che viaggiasse dal centro verso l'esterno o da una punta all'altra. In base alla posizione della nanobarra d'oro e alle condizioni di illuminazione, i ricercatori sono riusciti a produrre una varietà di hotspot alternativi.
Rottura dei legami e scoperte
Questo lavoro è uno dei rari casi che mostrano che è possibile modificare il comportamento dei catalizzatori anche dopo che sono stati realizzati. Apre un potenziale significativo per aumentare l'efficienza a livello di catalizzatore singolo. Un singolo catalizzatore potrebbe svolgere il ruolo di molti, usare la luce per eseguire molte delle stesse reazioni sulla sua superficie o potenzialmente aumentare il numero di siti per le reazioni. Il controllo della luce può anche aiutare gli scienziati a evitare indesiderati, reazioni estranee che a volte si verificano accanto a quelle desiderate. L'obiettivo più ambizioso di Dionne è quello di sviluppare un giorno catalizzatori efficienti in grado di abbattere la plastica a livello molecolare e trasformarla di nuovo nel suo materiale di origine per il riciclaggio.
Dionne ha sottolineato che questo lavoro, e qualunque cosa accada dopo, non sarebbe possibile senza le strutture e le risorse condivise disponibili a Stanford. (Questi ricercatori hanno anche utilizzato lo Stanford Research Computing Center per eseguire l'analisi dei dati.) La maggior parte dei laboratori non può permettersi di avere questa attrezzatura avanzata da sola, quindi condividerlo aumenta l'accesso e il supporto di esperti.
"Ciò che possiamo imparare sul mondo e come possiamo consentire la prossima grande svolta è reso così critico dalle piattaforme di ricerca condivise, " disse Dionne, che è anche vice rettore associato senior per le piattaforme di ricerca/strutture condivise. "Questi spazi non offrono solo strumenti critici, ma una comunità di ricercatori davvero straordinaria."
