Gli scienziati dell'Ames Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti hanno sviluppato una comprensione più profonda del design ideale per le nanoparticelle mesoporose utilizzate nelle reazioni catalitiche, come la conversione degli idrocarburi in biocarburanti. La ricerca aiuterà a determinare il diametro ottimale dei canali all'interno delle nanoparticelle per massimizzare la produzione catalitica.

Le nanoparticelle porose sono minuscole sfere create in laboratorio che incorporano canali o pori paralleli ancora più piccoli. Nei processi catalitici, ogni canale all'interno di una particella è rivestito con siti catalitici che convertono un reagente in un prodotto. L'aspetto interessante delle nanoparticelle porose è che le pareti dei pori forniscono un'area superficiale significativa per supportare i siti catalitici all'interno di una sfera super piccola. E, come ci si potrebbe aspettare, più pori, maggiore è la superficie, migliore è la reazione catalitica.

"Lo svantaggio è che quando i siti catalitici si trovano all'interno di pori stretti, come nel caso delle nanoparticelle mesoporose, l'intera reazione, compreso il movimento di reagenti e prodotti deve avvenire all'interno del canale stretto, " ha detto Jim Evans, uno scienziato dell'Ames Laboratory che ha guidato la ricerca. "Proprio come chiunque si sia trovato a cercare di spostarsi in un corridoio affollato di un negozio di alimentari, non è sempre così facile superare gli altri in uno spazio molto ristretto".

Così, il design ottimale per le nanoparticelle mesoporose dipende dal diametro dei singoli canali:abbastanza stretto da contenere il maggior numero possibile di pori in ciascuna particella per massimizzare il numero di siti catalitici, ma abbastanza largo da consentire ai prodotti catalitici e ai reagenti di schiacciarsi facilmente l'uno con l'altro e completare efficacemente la reazione. Per determinare questo "punto debole" per il diametro del canale, gli scienziati devono capire meglio come le molecole si muovono l'una accanto all'altra all'interno del canale.

"In particolare, è utile sapere con quale frequenza una coppia vicina di reagenti e molecole di prodotto passano l'una dall'altra rispetto a quanto spesso si separano l'una dall'altra. Determinare questa "probabilità di passaggio" per diversi diametri dei pori e varie forme molecolari rilevanti aiuta a determinare quanto stretti possono essere i canali prima che l'uscita catalitica sia ridotta, " ha detto Evans.

Evans e i suoi collaboratori hanno eseguito milioni di prove di simulazione per coppie di molecole a forma di sfera e coppie di molecole di forma più irregolare. Questi hanno consentito la determinazione precisa del comportamento di probabilità di passaggio per i pori stretti.

"Però, la simulazione diventa impegnativa e risulta meno affidabile per molecole realistiche di forma irregolare con molti gradi di libertà rotazionali. Anche, solo l'esecuzione di simulazioni non fornisce necessariamente una comprensione profonda di quali caratteristiche controllano il comportamento, " ha detto Evans.

Così, ha riunito le competenze dell'Ames Laboratory sia in chimica teorica che in matematica applicata per determinare e implementare i migliori strumenti teorici e di modellazione per ottenere risultati più affidabili e approfondimenti su come la probabilità di passaggio scenda a zero man mano che la dimensione del canale si restringe.

"È stata la combinazione integrata di simulazioni intensive e nuova teoria analitica che insieme ha fornito un sostanziale progresso nella nostra comprensione di questi importanti processi di passaggio molecolare. Con questo tipo di intuizione, in linea di principio, i sistemi di nanoparticelle porose possono essere ottimizzati, " ha detto Evans.

I risultati sono stati riportati in Lettere di revisione fisica .