La configurazione per un esperimento presso la sorgente di luce avanzata del Berkeley Lab che ha utilizzato la luce infrarossa (mostrata in rosso) e un microscopio a forza atomica (al centro e in alto) per studiare la chimica superficiale locale su particelle di platino rivestite (gialle) che misurano circa 100 nanometri di lunghezza. Credito:Università Ebraica di Gerusalemme
Difetti e superfici frastagliate ai bordi delle particelle di platino e oro di dimensioni nanometriche sono punti caldi chiave per la reattività chimica, un team di ricercatori che lavorano presso il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento di Energia e l'Università Ebraica di Gerusalemme in Israele ha confermato con una sonda a infrarossi unica.
Esperimenti come questo dovrebbero aiutare i ricercatori a personalizzare le proprietà strutturali dei catalizzatori per renderli più efficaci nel favorire le reazioni chimiche.
Lo studio, pubblicato l'11 gennaio in Natura , è un passo importante nella cronaca di come la struttura atomica delle nanoparticelle influisce sulla loro funzione di catalizzatori nelle reazioni chimiche. catalizzatori, che svolgono un ruolo nella produzione di molti prodotti industriali, come fertilizzanti, carburante, e plastica, sono materiali in grado di accelerare le reazioni chimiche e renderle più efficienti pur rimanendo inalterate nel processo.
Gli scienziati sanno che i materiali possono comportarsi in modo diverso su scala nanometrica rispetto a quanto fanno in quantità maggiori, e che la personalizzazione delle loro dimensioni e forma può migliorare le loro proprietà per usi specifici. Questa nuova tecnica ha individuato le aree su singole particelle metalliche, che misurano circa 100 nanometri, sono più attive nelle reazioni chimiche.
I ricercatori hanno combinato un ampio spettro di luce infrarossa, prodotto da Advanced Light Source (ALS) del Berkeley Lab, con un microscopio a forza atomica per rivelare diversi livelli di reattività chimica ai bordi delle singole nanoparticelle di platino e oro rispetto al loro liscio, superfici piane.
Hanno usato una capacità unica di SLA, soprannominato SINS (per la nanospettroscopia infrarossa basata sulla radiazione di sincrotrone), per esplorare la chimica dettagliata che si verifica sulla superficie delle particelle, e ha raggiunto una risoluzione fino a 25 nanometri.
"Ti permette di vedere tutta questa interazione nella chimica, " ha detto Michael Martin, uno scienziato senior del personale responsabile delle linee di luce a infrarossi presso la SLA. "Questo è ciò che lo rende speciale."
Hans Bechtel, un ricercatore presso il Berkeley Lab che lavora presso le linee di luce a infrarossi della SLA, aggiunto, "Puoi vedere contemporaneamente i reagenti e i prodotti formati nelle reazioni".
Nell'esperimento, i ricercatori hanno rivestito le particelle metalliche con uno strato di molecole reattive e hanno focalizzato la luce infrarossa prodotta dalla SLA sulla minuscola punta (25 nanometri di diametro) del microscopio a forza atomica.
La punta del microscopio, quando accoppiato con la luce infrarossa altamente focalizzata, ha funzionato come un'antenna estremamente sensibile per mappare la struttura superficiale delle singole nanoparticelle, rivelando anche la loro chimica superficiale dettagliata.
Da una raccolta di particelle di platino su scala nanometrica, sinistra, i ricercatori si sono concentrati sulla chimica che si verifica in diverse aree superficiali delle singole particelle di platino su nanoscala come quella a destra, che misura circa 100 miliardesimi di pollice di diametro. I ricercatori hanno scoperto che la reattività chimica è concentrata verso i bordi delle particelle (cerchio rosso a destra), con minore attività nella zona centrale (cerchio nero). Questa immagine è stata prodotta da un microscopio a forza atomica. Credito:mappatura ad alta risoluzione spaziale delle reazioni catalitiche su singole particelle, Natura , 11 gennaio 2017
"Siamo stati in grado di vedere l'esatta impronta digitale delle molecole sulla superficie delle particelle e convalidare un'ipotesi ben nota nel campo della catalisi, " disse Elad Gross, un membro di facoltà presso l'Istituto di Chimica e il Centro per le nanoscienze e le nanotecnologie dell'Università Ebraica di Gerusalemme, che ha condotto lo studio insieme a F. Dean Toste, uno scienziato della facoltà nella divisione di scienze chimiche del Berkeley Lab e professore nel dipartimento di chimica dell'UC Berkeley.
Conoscere il livello preciso di energia necessario per innescare le reazioni chimiche (l'energia di attivazione) è fondamentale per ottimizzare le reazioni, e può ridurre i costi su scala industriale conservando l'uso di energia.
"Questa tecnica ha la capacità di dirti non solo dove e quando si è verificata una reazione, ma anche per determinare l'energia di attivazione per la reazione in diversi siti, " Gross ha detto. "Quello che hai qui è uno strumento che può affrontare questioni fondamentali nella ricerca catalisi. Abbiamo dimostrato che le aree altamente difettose a livello atomico sono più attive delle superfici lisce".
Questa caratteristica è legata alla piccola dimensione delle particelle, Grosso notato. "Man mano che la dimensione delle particelle diminuisce, la struttura è meno uniforme e hai più difetti, " Egli ha detto.
Le particelle più piccole hanno una superficie maggiore per particella rispetto alle particelle più grandi, il che significa che più atomi saranno posizionati ai bordi. Gli atomi ai bordi delle particelle hanno meno vicini di quelli lungo le sue superfici lisce, e meno vicini significa più libertà di partecipare alla chimica con altri elementi.
Poiché le reazioni chimiche studiate si verificano molto rapidamente, in meno di un secondo, e la tecnica ALS può impiegare circa 20 minuti per scansionare un singolo punto su una particella, i ricercatori hanno utilizzato uno strato di molecole chimicamente attive, che erano attaccati alla superficie della particella, come marker della reattività catalitica.
Dean Toste, sinistra, di Berkeley Lab e UC Berkeley, e Elad Gross, Giusto, dell'Università Ebraica di Gerusalemme, ha condotto uno studio sulla reattività chimica sito-specifica su minuscole particelle di platino e oro presso l'Advanced Light Source del Berkeley Lab. Credito:Roy Kaltschmidt/Berkeley Lab
La reazione catalitica nello studio era analoga a quella che si verifica nei convertitori catalitici dei veicoli a benzina. I convertitori catalitici utilizzano particelle di platino e altri materiali per convertire gli scarichi delle auto in emissioni meno tossiche.
I futuri esperimenti pianificati utilizzando la tecnica SINS si concentreranno sulla documentazione di processi chimici attivi che utilizzano flussi controllati di gas o liquidi per innescare reazioni, ricercatori hanno detto, e futuri esperimenti potrebbero utilizzare pressioni e temperature variabili per valutare gli effetti.
"Penso che questo sarà uno strumento molto interessante per ulteriori esperimenti e analisi in grado di rispondere a molte domande a cui prima non era possibile rispondere, " Gross ha detto. "Questo strumento ci dà la capacità di ottenere una migliore risoluzione di tre ordini di grandezza rispetto ad altre tecniche, che ha aperto un campo molto ampio per gli studi sulla catalisi e sulla chimica di superficie."
Studi futuri potrebbero anche combinare metodi basati sull'infrarosso e sui raggi X presso la SLA per raccogliere informazioni chimiche più ricche, ricercatori hanno detto. Ci sono già piani per una nuova linea di raggi infrarossi presso l'ALS che aumenterà la capacità e le capacità per gli studi chimici a infrarossi e avvierà anche studi strutturali 3-D basati sull'infrarosso presso l'ALS.
