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  • Piccole particelle, grandi scoperte:massimizzare i guadagni di energia da minuscole nanoparticelle

    Questa microfotografia elettronica a trasmissione ad alta risoluzione scattata al CFN rivela la disposizione delle nanoparticelle di ossido di cerio ("squame" angolari luminose nella parte inferiore dell'immagine) supportate su un substrato di titania (sfondo) - una combinazione in fase di esplorazione come catalizzatore per la scissione dell'acqua molecole per rilasciare idrogeno come combustibile e per altre reazioni di trasformazione dell'energia.

    (Phys.org) —A volte i grandi cambiamenti derivano da piccoli inizi. Ciò è particolarmente vero nella ricerca di Anatoly Frenkel, professore di fisica alla Yeshiva University, che sta lavorando per reinventare il modo in cui utilizziamo e produciamo energia sbloccando il potenziale di alcune delle strutture più piccole del mondo:le nanoparticelle.

    "La nanoparticella è l'unità più piccola nella maggior parte dei nuovi materiali, e tutte le sue proprietà sono legate in un modo o nell'altro alla sua struttura, " disse Frenkel. "Se riusciamo a capire questa connessione, possiamo ricavare molte più informazioni su come può essere utilizzato per la catalisi, energia, e altri scopi".

    A volte i grandi cambiamenti derivano da piccoli inizi. Ciò è particolarmente vero nella ricerca di Anatoly Frenkel, professore di fisica alla Yeshiva University, che sta lavorando per reinventare il modo in cui utilizziamo e produciamo energia sbloccando il potenziale di alcune delle strutture più piccole del mondo:le nanoparticelle.

    "La nanoparticella è l'unità più piccola nella maggior parte dei nuovi materiali, e tutte le sue proprietà sono legate in un modo o nell'altro alla sua struttura, " disse Frenkel. "Se riusciamo a capire questa connessione, possiamo ricavare molte più informazioni su come può essere utilizzato per la catalisi, energia, e altri scopi".

    Frenkel sta collaborando con lo scienziato dei materiali Eric Stach e altri presso il Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti per sviluppare nuovi modi per studiare il comportamento delle nanoparticelle nei catalizzatori, i "kick-starter" delle reazioni chimiche che convertono i combustibili in forme utilizzabili di energia e trasformano materie prime ai prodotti industriali.

    "Stiamo sviluppando un nuovo 'micro-reattore' che ci consente di esplorare molti aspetti della funzione catalitica utilizzando approcci multipli alla National Synchrotron Light Source (NSLS) di Brookhaven, l'NSLS-II di prossima realizzazione, e il Centro per i nanomateriali funzionali (CFN), " disse Stac, che lavora al CFN. "Questo approccio ci consente di comprendere molteplici aspetti del funzionamento dei catalizzatori in modo da poter modificare il loro design per migliorarne la funzione. Questo lavoro potrebbe portare a grandi guadagni in termini di efficienza energetica e risparmi sui costi per i processi industriali".

    Strumenti high-tech per la scienza

    Fino ad ora, i metodi per comprendere le proprietà catalitiche potevano essere usati solo uno alla volta, con il catalizzatore che finisce in uno stato diverso per ciascuno degli esperimenti. Ciò ha reso difficile confrontare le informazioni ottenute utilizzando i diversi strumenti. Il nuovo microreattore impiegherà più tecniche:microscopia, spettroscopia, e diffrazione, per esaminare contemporaneamente diverse proprietà dei catalizzatori in condizioni operative. Mantenendo le particelle nello stesso stato strutturale e dinamico nelle stesse condizioni di reazione, il microreattore darà agli scienziati un'idea molto migliore di come funzionano.

    "Questi sviluppi sono il risultato della combinazione di strutture uniche disponibili a Brookhaven, " ha detto Frenkel. "Lavorando a stretto contatto con Eric, ci siamo resi conto che c'era un modo per far funzionare in modo davvero complementare sia i metodi a raggi X che quelli basati sugli elettroni.

    Ogni tecnica ha punti di forza, Stack ha spiegato. "Alla NSLS, utilizzando potenti fasci di raggi X, possiamo dire come si comporta l'intero gruppo di nanoparticelle, mentre la microscopia elettronica al CFN ci permette di vedere la struttura atomica di ogni nanoparticella. Avendo entrambi questi punti di vista sui catalizzatori, possiamo comprendere più chiaramente la relazione tra struttura e funzione del catalizzatore".

    Ha detto Frenkel, "È stato molto soddisfacente per noi condurre i primi test con il reattore in ogni struttura e ricevere risultati positivi. Sono particolarmente grato a Ryan Tappero, lo scienziato che gestisce la linea di luce NSLS X27A, per il suo aiuto esperto nell'acquisizione dei dati a raggi X."

    Frenkel ha avuto una collaborazione in corso con gli scienziati di Brookhaven. L'anno scorso, con l'associato di ricerca post-dottorato Qi Wang, Frenkel e Stach hanno misurato le proprietà delle nanoparticelle utilizzando i raggi X prodotti dall'NSLS e l'imaging su scala atomica con elettroni al CFN. Come riportato in un articolo pubblicato su Giornale della Società Chimica Americana all'inizio di quest'anno, hanno scoperto che invece di cambiare completamente da uno stato all'altro a una certa temperatura e dimensione, come si credeva in precedenza, c'è una zona di transizione tra gli stati quando le particelle cambiano forma.

    "Questo è fondamentalmente importante perché fino ad ora, si sapeva che le strutture cambiavano semplicemente da una forma all'altra:non erano mai state previste per coesistere in forme diverse, " Ha detto Frenkel. "Con le nostre informazioni possiamo spiegare perché i catalizzatori spesso non funzionano come previsto e come migliorarli".

    Formazione per giovani scienziati

    La collaborazione offre anche opportunità agli studenti di sperimentare le sfide della ricerca, dando loro accesso agli strumenti di livello mondiale di Brookhaven. Gli studenti universitari di Frenkel allo Stern College for Women della Yeshiva University aiutano con le misurazioni, analisi dei dati, e interpretazione, e molti lo hanno già accompagnato a Brookhaven per assisterlo nel suo lavoro utilizzando NSLS e altri strumenti all'avanguardia.

    "Sto dando loro un'esperienza di prima mano su come è la vita di un ricercatore all'inizio mentre conducono ricerche di prim'ordine, " ha detto Frenkel. "Questa esperienza apre le porte a qualsiasi campo in cui vogliono essere".

    Alyssa Lerner, un maggiore di pre-ingegneria che ha lavorato con Frenkel a Brookhaven, ha affermato che la ricerca "mi ha aiutato a sviluppare abilità come l'analisi computazionale e il pensiero critico, che sono essenziali in ogni campo scientifico. L'esperienza sperimentale pratica mi ha dato una migliore comprensione di come opera la comunità scientifica, aiutandomi a fare scelte più informate riguardo alla carriera mentre continuo a migliorare la mia istruzione."

    Abbinare studenti e tutor per far progredire l'istruzione e utilizzare tecniche di imaging complementari per migliorare l'efficienza energetica:solo due dei risultati positivi di questa collaborazione di successo.

    "Riunendo più tecniche complementari per illuminare lo stesso processo, capiremo come funzionano i nanomateriali, " Disse Frenkel. "Alla fine, questa ricerca creerà un modo migliore di utilizzare, immagazzinare, e la conversione di energia."


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