Essere della giusta dimensione ed esistere nel limbo tra uno stato solido e uno liquido sembrano essere i segreti per migliorare l'efficienza dei catalizzatori chimici che possono creare nanoparticelle migliori o fonti di energia più efficienti.

Quando la materia è in questo stato di transizione, un catalizzatore può raggiungere il suo massimo potenziale con la giusta combinazione di dimensione e temperatura delle particelle del catalizzatore, secondo una coppia di ricercatori della Duke University. Un catalizzatore è un agente o una sostanza chimica che facilita una reazione chimica. Si stima che oltre il 90% dei processi chimici utilizzati dall'industria coinvolga ad un certo punto i catalizzatori.

Questa scoperta potrebbe avere ampie implicazioni in quasi tutte le reazioni a base di catalizzatori, secondo un ingegnere e un chimico della Duke che hanno riportato le loro scoperte on line sulla rivista dell'American Chemical Society ACS-Nano . Il team ha scoperto che il rapporto superficie-volume della particella del catalizzatore, la sua dimensione, è più importante di quanto generalmente apprezzato.

"Abbiamo scoperto che la dimensione più piccola di un catalizzatore porterà a una reazione più rapida rispetto a se la massa, o più grande, viene utilizzata una versione dello stesso catalizzatore, " disse Stefano Curtarolo, professore associato presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Scienze dei Materiali.

"Questo è in aggiunta al solito eccesso di superficie nelle nanoparticelle, " disse Curtarolo, che tre anni fa ha fornito le basi teoriche dei risultati e li ha visti confermati da una serie di intricati esperimenti condotti da Jie Liu, Duca professore di chimica.

"Questo apre una nuova area di studio, poiché lo stato termocinetico del catalizzatore non è stato prima considerato un fattore importante, Disse Curtarolo. «A prima vista è paradossale. È come dire che se un'auto consuma meno gas (una particella più piccola), andrà più veloce e più lontano."

La loro serie di esperimenti è stata condotta utilizzando nanotubi di carbonio, e gli scienziati ritengono che gli stessi principi descritti nel documento si applichino a tutti i processi guidati da catalizzatori.

Liu ha dimostrato l'ipotesi di Curtarolo sviluppando un nuovo metodo per misurare non solo le lunghezze dei nanotubi di carbonio in crescita, ma anche i loro diametri. I nanotubi sono strutture tubolari microscopiche "a rete" che vengono utilizzate in centinaia di prodotti, come i tessuti, celle solari, transistor, filtri anti-inquinamento e giubbotti antiproiettile.

"Normalmente, i nanotubi crescono da una superficie piana in modo disordinato e sembrano un piatto di spaghetti, quindi è impossibile misurare ogni singolo tubo, " Liu ha detto. "Siamo stati in grado di farli crescere in singoli fili paralleli, che ci ha permesso di misurare il tasso di crescita così come la durata della crescita".

Facendo crescere questi nanotubi utilizzando diverse dimensioni delle particelle di catalizzatore e a diverse temperature, Liu è stato in grado di determinare il "punto debole" in cui i nanotubi sono cresciuti più velocemente e più a lungo. Come si è scoperto, questo è successo quando la particella era nel suo stato viscoso, e che più piccolo era meglio che più grande, esattamente come previsto prima.

Queste misurazioni hanno fornito la base sperimentale dell'ipotesi di Curtarolo che data una particolare temperatura, le nanoparticelle più piccole sono più efficaci ed efficienti per unità di area rispetto a catalizzatori più grandi dello stesso tipo quando risiedono in quella dimensione tra solido e liquido.

"Tipicamente, in questo campo i risultati sperimentali vengono prima di tutto, e la spiegazione viene dopo, " Liu ha detto. "In questo caso, che è insolito, abbiamo preso l'ipotesi e siamo stati in grado di sviluppare un metodo per dimostrarlo corretto in laboratorio."