Il ricercatore David Rosenberg esamina le immagini di una polvere bianca sotto un potente microscopio elettronico a scansione. Da vicino, la polvere sembra ghiaia grossolana, un mucchio di pezzi simili ma irregolari. Poi guarda una seconda immagine - lo stesso materiale prodotto dal collega Hongyou Fan invece che acquistato da un catalogo - e vede perfettamente liscio, sfere uniformi.

"Non ho mai visto niente di simile. A questa scala, nessuno può controllare così bene la forma o le dimensioni. Questa tecnologia fa entrambe le cose."

La polvere uniforme e altre simili prodotte ai Sandia National Laboratories non sono solo belle, hanno prestazioni superiori alle varietà commerciali utilizzate per avviare reazioni chimiche nelle celle solari e potrebbero essere utilizzate per produrre combustibile a idrogeno a combustione pulita. Se sviluppato per l'industria, la nuova tecnologia, oggetto di un recente articolo su Nano Letters, potrebbe migliorare le prestazioni riducendo i costi di questi e altri catalizzatori utilizzati ovunque, dalla pulizia ambientale al trattamento del cancro.

Il suo ingrediente chiave:il detersivo.

Infatti, è una versione commerciale non dissimile dal detersivo per piatti casalingo, meno i coloranti e i profumi. Fan, l'inventore della tecnologia basata sui detergenti, e il suo team presso l'Advanced Materials Laboratory presso l'Università del New Mexico utilizzano l'ingrediente attivo nelle soluzioni detergenti per intrappolare le materie prime proprio come il grasso, incapsulandoli all'interno di gabbie costituite da molecole detergenti. La gabbia funge da stampo molecolare che determina le dimensioni e la forma, o la morfologia, del materiale che si forma all'interno. Rimuovere il detersivo, e ti rimane pulito, particelle uniformi.

"Normalmente, avresti pochissimo controllo sulla reazione che produce questi materiali, " dice Fan. "Questo porta a una morfologia irregolare."

Questo può essere un problema per gli ingegneri che usano quei materiali. Alcuni catalizzatori non funzionano a meno che non siano organizzati in modi specifici a livello molecolare, e alcune particelle che assorbono la luce utilizzate nelle celle solari assorbono più luce solare a determinate dimensioni rispetto ad altre. Quando le singole particelle sono irregolari, solo una frazione del materiale sfuso si comporta come dovrebbe. Il resto è peso morto, il che rende anche difficile prevedere le prestazioni del catalizzatore.

Poiché le particelle di Fan sono uniformi e strettamente controllate, gli ingegneri potrebbero utilizzare meno materiale e ottenere lo stesso effetto delle polveri convenzionali. In uno studio, La versione del fan di un fotocatalizzatore, che potrebbe essere utilizzato per pulire le acque reflue, abbattuto cinque volte più inquinante rispetto alla sua controparte commerciale. Nel suo ultimo articolo, ha dimostrato miglioramenti simili in un materiale che produce idrogeno cataliticamente.

La coerenza migliora le previsioni sulle prestazioni

Rosenberg sta ampliando e applicando la tecnologia alla sua ricerca sugli esplosivi per la sicurezza nazionale, dove i materiali imprevedibili sono inaccettabili. Insieme a un team che sta migliorando gli input ai modelli informatici, "abbiamo visto un incredibile, potente applicazione in quanto alimenta i nostri sforzi di modellazione, " lui dice.

Sandia sviluppa simulazioni al computer in modo che Rosenberg e il suo team non debbano costruire e testare fisicamente le parti ogni volta. Ma i presupposti che vengono inseriti in quei modelli possono compromettere l'output.

Per risparmiare tempo e risorse di elaborazione, una simulazione può presumere che le particelle abbiano forme più semplici o siano più coerenti di quanto non siano in realtà. Ma, non potrà mai prevedere perfettamente come agisce il materiale reale. Le polveri uniformi del ventaglio allineano il materiale con il modello, fornendo a Rosenberg la capacità di controllare la struttura delle particelle in modo che molte delle ipotesi matematiche scompaiano.

"Potremmo guardare modelli che descrivono perfettamente le caratteristiche fisiche della polvere, e questo ci darebbe uno strumento incredibile sia per convalidare i modelli esistenti che per svilupparne di nuovi."

Cambia il detersivo, cambia la forma

Fan sta anche ottimizzando i materiali per potenziali applicazioni come la conversione dell'energia nelle celle solari, fototerapia per il trattamento del cancro e produzione di idrogeno per fonti di carburante pulite creando particelle ben note in forme completamente nuove. Un detersivo può provocare sfere, ma Fan può sostituirlo con un detersivo che produce dischi, aste o ottaedri. Nello studio che ha misurato le prestazioni fotocatalitiche, ha testato otto forme contro la controparte commerciale prima di coronare la forma più efficace.

Ma così lontano, Fan ha scoperto in gran parte queste forme attraverso tentativi ed errori. Quindi ha chiesto l'aiuto di Younan Xia, un professore al Georgia Institute of Technology e un pioniere nella sintesi dei nanomateriali per accelerare il suo lavoro.

"Stiamo misurando la cinetica fondamentale, quanto velocemente atomi o molecole si depositano sulla superficie delle nanoparticelle in crescita, " Xia dice. "La struttura finale delle particelle dipende da quella velocità relativa alla velocità di diffusione superficiale, " o la velocità con cui le molecole si allontanano.

Xia e Fan stanno lavorando insieme per sviluppare una ricetta per replicare determinate forme basata sul detersivo, temperatura, Valore pH e concentrazione. Come girare le manopole, potrebbero regolare questi input per ottenere un output affidabile.

"Se non hai una manopola quantitativa, potresti eseguire l'esperimento cento volte prima di ottenere la forma giusta, " Xia dice. "Con uno, speriamo di potercela fare subito dopo il primo o il secondo tentativo".