Convertitori catalitici più efficienti sulle auto, batterie migliorate e sensori di gas più sensibili sono alcuni dei potenziali vantaggi di un nuovo sistema in grado di misurare direttamente il modo in cui i nanocristalli assorbono e rilasciano idrogeno e altri gas.

La tecnica, che è stato sviluppato dalla Vanderbilt University Assistant Professor di ingegneria chimica e biomolecolare Rizia Bardhan, è descritto in un articolo pubblicato online il 4 agosto dalla rivista Materiali della natura .

Negli ultimi 30 anni, c'è stata un'enorme quantità di ricerche che studiano i nanocristalli - minuscoli cristalli di dimensioni comprese tra uno e 100 nanometri (un nanometro sta a un pollice ciò che un pollice sta a 400 miglia) - a causa dell'aspettativa che abbiano proprietà fisiche e chimiche uniche che può essere utilizzato in una vasta gamma di applicazioni.

Una classe di applicazioni dipende dalla capacità dei nanocristalli di catturare molecole e particelle specifiche fuori dall'aria, trattenerli e poi rilasciarli:un processo chiamato adsorbimento e desorbimento. I progressi in questo settore sono stati ostacolati dalle limitazioni dei metodi esistenti per misurare i cambiamenti fisici e chimici che avvengono nei singoli nanocristalli durante il processo. Di conseguenza, i progressi sono stati ottenuti per tentativi ed errori e sono stati limitati a campioni ingegnerizzati e geometrie specifiche.

"La nostra tecnica è semplice, diretto e utilizza strumenti disponibili in commercio in modo che altri ricercatori non abbiano difficoltà a utilizzarlo, " ha detto Bardhan. I collaboratori nello sviluppo sono stati Vanderbilt Assistant Professor di ingegneria meccanica Cary Pint, Ali Javey dell'Università della California, Berkeley e Lester Hedges, Stephen Whitelam e Jeffrey Urban del Lawrence Berkeley National Laboratory.

Il metodo si basa su una procedura standard chiamata spettroscopia di fluorescenza. Un raggio laser viene focalizzato sui nanocristalli bersaglio, facendoli diventare fluorescenti. Quando i nanocristalli assorbono le molecole di gas, la forza della loro fluorescenza si attenua e mentre rilasciano le molecole di gas, si riprende.

"L'effetto di fluorescenza è molto sottile e molto sensibile alle differenze nelle dimensioni dei nanocristalli, " ha spiegato. "Per vederlo è necessario utilizzare nanocristalli di dimensioni uniformi." Questo è uno dei motivi per cui l'effetto non è stato osservato prima:tecniche di fabbricazione come la macinazione a palle e altri approcci chimici a umido che sono stati ampiamente utilizzati producono nanocristalli in una gamma di diverse dimensioni.Queste differenze sono sufficienti per mascherare l'effetto.

Per testare la loro tecnica, i ricercatori hanno studiato il rilevamento del gas idrogeno con nanocristalli fatti di palladio. Scelgono il palladio perché è molto stabile e rilascia facilmente idrogeno adsorbito. Hanno usato l'idrogeno per l'interesse a usarlo come sostituto della benzina. Uno dei principali ostacoli tecnici a questo scenario è lo sviluppo di un metodo di archiviazione sicuro ed economico. Un sistema di idruri metallici a base di nanocristalli è uno degli approcci promettenti in fase di sviluppo.

Le misurazioni effettuate hanno rivelato che le dimensioni dei nanocristalli hanno un effetto molto più forte sulla velocità con cui il materiale può assorbire e rilasciare idrogeno e sulla quantità di idrogeno che il materiale può assorbire rispetto a quanto previsto in precedenza:tutte proprietà chiave per un sistema di stoccaggio dell'idrogeno. Più piccola è la dimensione delle particelle, più velocemente il materiale può assorbire il gas, più gas può assorbire e più velocemente può rilasciarlo.

"Nel passato, le persone pensavano che l'effetto dimensione fosse limitato a dimensioni inferiori a 15-20 nanometri, ma abbiamo scoperto che si estende fino a 100 nanometri, "disse Bardan.

I ricercatori hanno anche determinato che il tasso di adsorbimento/desorbimento era determinato da soli tre fattori:pressione, temperatura e dimensione dei nanocristalli. Non hanno riscontrato che fattori aggiuntivi come difetti e deformazioni avessero un effetto significativo come suggerito in precedenza. Sulla base di queste nuove informazioni, hanno creato una semplice simulazione al computer in grado di prevedere i tassi di adsorbimento/desorbimento di vari tipi e intervalli di dimensioni di nanocristalli con una varietà di gas diversi.

"Ciò consente di ottimizzare un'ampia gamma di applicazioni di nanocristalli, compresi i sistemi di stoccaggio dell'idrogeno, convertitori catalitici, batterie, celle a combustibile e supercondensatori, " ha detto Bardan.