(Phys.org)—La produzione di energia sostenibile richiede materiali con proprietà fisiche e chimiche specifiche controllate dalle dimensioni e dalla carica elettrica delle piccole particelle metalliche, e gli scienziati del Pacific Northwest National Laboratory hanno scoperto come controllare con precisione entrambe le proprietà. I catalizzatori solidi sono tipicamente costituiti da minuscoli cluster metallici dispersi su un materiale di supporto. Per distribuire più efficacemente i cluster sul supporto, uno strato di molecole "filamentose" può essere utilizzato per legare i cluster alla superficie. Il team del PNNL ha scoperto che le proprietà di queste stringhe controllano il numero di cariche trasportate dai cluster catalitici dispersi sopra lo strato.
"Quando si sviluppano catalizzatori, questioni di carica, " ha detto la dottoressa Julia Laskin, un chimico fisico del PNNL che ha guidato questa ricerca. "Abbiamo bisogno di strumenti migliori per misurare gli stati di carica delle molecole catalitiche sulle superfici".
I catalizzatori sono materiali complessi progettati per aumentare l'efficienza e ridurre i rifiuti associati alla creazione di prodotti come combustibili, plastica e prodotti farmaceutici. Il miglioramento dei catalizzatori può consentire la produzione di combustibili e altri materiali con meno energia e meno rifiuti. Gli attuali catalizzatori solidi che agiscono su reagenti liquidi o gassosi sono spesso composti da nanoparticelle metalliche mal definite disperse in modo casuale su materiali di supporto con ampie aree superficiali. In contrasto, la prossima generazione di catalizzatori sarà formulata da assemblaggi controllati su mesoscala di cluster metallici con proprietà che dipendono dal numero di atomi di metallo e dallo stato di carica. Per assemblare cluster metallici ben definiti in strutture su mesoscala per la catalisi, sono necessarie tecniche che forniscano un controllo preciso sulle dimensioni, stato di carica, e densità dei cluster metallici sulle superfici.
"Il nostro approccio fornisce il controllo atomo per atomo delle dimensioni e il controllo elettrone per elettrone dello stato di carica dei cluster metallici sulle superfici, " ha detto il dottor Grant Johnson, un chimico fisico coinvolto nello studio ed ex Linus Pauling Fellow che si è recentemente unito al Laboratorio come scienziato a tempo pieno.
Quando si progettano catalizzatori o altri materiali legati all'energia, viene spesso utilizzato un approccio "cuoco e guarda". Gli scienziati prendono materiali e combinazioni probabili, applicare competenza e intuizione, e sintetizzare i nuovi materiali necessari. Questo processo è costoso e richiede tempo. Sono necessarie conoscenze fondamentali e un controllo atomicamente preciso per progettare razionalmente i materiali desiderati dagli scienziati. Entra nel team PNNL.
La ricerca si divide in due parti:sintesi dei cluster metallici e atterraggio morbido di cluster selezionati per dimensione sulle superfici. I cluster utilizzati nello studio sono ioni positivi a tripla carica (+3) di diametro inferiore a 1 nanometro. Contengono esattamente 11 atomi d'oro.
"La sfida più grande non è stata la sintesi, ma la caratterizzazione - scoprire quante cariche conservano gli ammassi dopo essere atterrati dolcemente sulle superfici, " disse Tommaso Sacerdote, uno stagista universitario che ha lavorato allo studio. "È piuttosto eccitante osservare quanto siano diversi a seconda delle proprietà della superficie". Sacerdote, che è stato secondo autore di due articoli su riviste che descrivono ricerche fatte durante il suo tirocinio, sintetizzato le soluzioni dei cluster d'oro. Priest sta ora lavorando al suo master in ingegneria presso l'Università di Louisville.
Le superfici su cui sono stati depositati i grappoli d'oro sono una base d'oro con un monostrato di molecole contenenti una catena idrocarburica e terminate con diversi gruppi funzionali, come -CH 3 , -CF 3 o -COOH. Variando il gruppo funzionale terminale, la polarità delle molecole è stata sintonizzata da poco a estremo. La polarità delle molecole determina la propensione del monostrato a incanalare gli elettroni ad un certo potenziale.
Il tunneling di elettroni attraverso lo strato ha un forte effetto sulla carica degli ioni cluster a carica multipla depositati sulla superficie. Per esempio, quando viene utilizzato un monostrato a base di idrocarburi leggermente polari, i cluster d'oro 3+ atterrati morbidi guadagnano fino a tre elettroni dalla superficie, diventando così neutrale. In contrasto, sulla superficie altamente polare a base di fluoro, i grappoli d'oro mantengono la loro carica 3+, non ricevendo elettroni dalla superficie. Le molecole polari nel monostrato introducono un dipolo di interfaccia, essenzialmente una barriera di carica tra la superficie e l'ammasso.
A seguito di questa scoperta, i ricercatori hanno continuato a vedere se coprire la superficie con uno strato più denso di ammassi d'oro a carica multipla ha cambiato le cariche degli ammassi. Dal punto di vista della carica, l'intero risultato è cambiato improvvisamente. Sulla superficie a base di fluoro nei primi esperimenti, tutti i cluster hanno mantenuto la loro carica +3. Ora, la superficie aveva un centro di grappoli d'oro con carica +1 e, ai bordi, i cluster erano prevalentemente +2 e +3.
Perché è successo?
"Il maggior numero di ammassi a carica multipla depositati sulla superficie ha creato un potenziale sufficiente per consentire agli elettroni dalla superficie di passare attraverso gli ammassi d'oro, riducendo così il loro stato di carica, " ha spiegato Johnson. "Capire come queste barriere di tunneling si rompono dà agli scienziati le conoscenze di cui hanno bisogno per controllare le cariche del materiale".
Laskin e Johnson stanno ora utilizzando questa conoscenza per preparare array specializzati su mesoscala di cluster metallici ben definiti sulle superfici. Questi array potrebbero avere applicazioni nelle celle a combustibile, ed efficienti fonti di energia.
