Le nanoparticelle possono essere potenti catalizzatori. Nanoleghe bimetalliche di platino e palladio, Per esempio, può aiutare a generare combustibile a idrogeno favorendo la degradazione elettrochimica dell'acqua. Identificare la nano-lega più attiva per tale compito, però, rimane una sfida; le prestazioni catalitiche sono direttamente correlate alla struttura delle particelle, e gli esperimenti per stabilire la disposizione atomica di tali piccole particelle sono difficili da eseguire. La previsione di strutture di nano-leghe stabili è ora possibile utilizzando un approccio computazionale sviluppato da Teck Leong Tan presso l'A*STAR Institute of High Performance Computing e dai suoi collaboratori. La loro tecnica può anche identificare modi in cui la struttura atomica della nanoparticella potrebbe essere sintonizzata per migliorare le prestazioni catalitiche.

La sfida con il calcolo della struttura e delle proprietà delle nanoleghe dai primi principi è la potenza di elaborazione computazionale che richiede, dice Tan. Per il loro studio, lui e i suoi collaboratori hanno preso in considerazione una particella di nanolega di 55 atomi, ogni sito nella struttura riempito da un atomo di palladio o platino. "Ci sono milioni di possibili configurazioni di leghe, quindi sarebbe computazionalmente intrattabile fare una ricerca diretta usando i calcoli dei primi principi, "Spiega Tan.

Per rendere gestibile il processo, i ricercatori hanno concettualmente suddiviso la nanoparticella in piccole subunità geometriche, o cluster. Dai primi calcoli di principio su un insieme di circa 100 diverse strutture di leghe, ciascuno composto da circa 30 cluster, hanno generato un modello affidabile del comportamento della lega utilizzando un approccio chiamato espansione dei cluster. Da questo modello, hanno calcolato le proprietà dell'intera nanoparticella. "Il modello viene utilizzato per cercare rapidamente nell'enorme spazio di configurazione gli stati a bassa energia, " dice Tan. Questi stati a bassa energia rappresentano le configurazioni stabili della lega che dovrebbero esistere sperimentalmente (vedi immagine).

Usando le loro strutture stabili calcolate, Tan e i suoi collaboratori hanno quindi previsto come le diverse conformazioni atomiche influenzino le prestazioni di una particella come catalizzatore. Come reazione modello, i ricercatori hanno esaminato la reazione di evoluzione dell'idrogeno, la generazione elettrochimica di idrogeno gassoso. I risultati suggeriscono che l'attività catalitica delle particelle aumenterà con l'aggiunta di più palladio, perché questa lega migliora il legame dell'idrogeno in vari siti di adsorbimento sulla superficie delle nanoparticelle, informazioni utili per guidare la sintesi di nuovi nanocatalizzatori.

L'approccio dovrebbe essere ampiamente applicabile alla ricerca sulle nanoparticelle, note Tan. "Il metodo di espansione dei cluster può essere generalmente applicato a qualsiasi sistema di leghe in cui le strutture e le stabilità sono di interesse, " dice. Tan ha in programma di studiare l'impatto delle molecole adsorbite sulla superficie di un catalizzatore. "La presenza di molecole adsorbite spesso porta a cambiamenti nelle strutture delle leghe, alterando così le prestazioni catalitiche, " lui dice.