Gli scienziati hanno utilizzato una tecnica chimica vincitrice del premio Nobel su una miscela di metalli per ridurre potenzialmente il costo delle celle a combustibile utilizzate nelle auto elettriche e ridurre le emissioni nocive dei veicoli convenzionali.

I ricercatori hanno tradotto una tecnica biologica, che ha vinto il Premio Nobel per la Chimica 2017, per rivelare la chimica su scala atomica nelle nanoparticelle metalliche. Questi materiali sono uno dei catalizzatori più efficaci per i sistemi di conversione dell'energia come le celle a combustibile. È la prima volta che questa tecnica viene utilizzata per questo tipo di ricerca.

Le particelle hanno una complessa geometria a forma di stella e questo nuovo lavoro mostra che i bordi e gli angoli possono avere chimiche diverse che ora possono essere sintonizzate per ridurre il costo delle batterie e dei convertitori catalitici.

Il Premio Nobel per la Chimica 2017 è stato assegnato a Joachim Frank, Richard Henderson e Jacques Dubochet per il loro ruolo pionieristico nella tecnica della ricostruzione di singole particelle. Questa tecnica di microscopia elettronica ha rivelato le strutture di un numero enorme di virus e proteine, ma di solito non viene utilizzata per i metalli.

Ora, un team dell'Università di Manchester, in collaborazione con ricercatori dell'Università di Oxford e della Macquarie University, si sono basati sulla tecnica vincitrice del Premio Nobel per produrre mappe elementari tridimensionali di nanoparticelle metalliche costituite da poche migliaia di atomi.

Pubblicato sulla rivista Nano lettere , la loro ricerca dimostra che è possibile mappare diversi elementi su scala nanometrica in tre dimensioni, aggirare i danni alle particelle studiate.

Le nanoparticelle metalliche sono il componente principale di molti catalizzatori, come quelli usati per convertire i gas tossici negli scarichi delle auto. La loro efficacia dipende fortemente dalla loro struttura e chimica, ma a causa della loro struttura incredibilmente piccola, sono necessari microscopi elettronici per fornire loro un'immagine. Però, la maggior parte delle immagini è limitata alle proiezioni 2-D.

"Da tempo studiamo l'uso della tomografia al microscopio elettronico per mappare le distribuzioni elementali in tre dimensioni, " ha detto la professoressa Sarah Haigh, dalla Scuola dei Materiali, Università di Manchester. "Di solito ruotiamo la particella e prendiamo immagini da tutte le direzioni, come una TAC in ospedale, ma queste particelle danneggiavano troppo rapidamente per consentire la creazione di un'immagine 3D. I biologi utilizzano un approccio diverso per l'imaging 3D e abbiamo deciso di esplorare se questo potesse essere utilizzato insieme a tecniche spettroscopiche per mappare i diversi elementi all'interno delle nanoparticelle".

"Come la 'ricostruzione di una singola particella', la tecnica funziona immaginando molte particelle e supponendo che siano tutte identiche nella struttura, ma disposti con orientamenti diversi rispetto al fascio di elettroni. Le immagini vengono quindi inviate a un algoritmo informatico che produce una ricostruzione tridimensionale".

Nel presente studio il nuovo metodo di imaging chimico 3D è stato utilizzato per studiare le nanoparticelle metalliche di platino-nichel (Pt-Ni).

Autore principale, Yi Chi Wang, anche dalla Scuola dei Materiali, ha aggiunto:"Le nanoparticelle a base di platino sono uno dei materiali catalitici più efficaci e ampiamente utilizzati in applicazioni come celle a combustibile e batterie. Le nostre nuove intuizioni sulla distribuzione chimica locale 3D potrebbero aiutare i ricercatori a progettare catalizzatori migliori a basso costo e alta efficienza."

"Miriamo ad automatizzare il nostro flusso di lavoro di ricostruzione chimica 3-D in futuro", ha aggiunto l'autore Dr. Thomas Slater. "Ci auguriamo che possa fornire un metodo rapido e affidabile per l'imaging di popolazioni di nanoparticelle che è urgentemente necessario per accelerare l'ottimizzazione della sintesi delle nanoparticelle per applicazioni ad ampio raggio, tra cui il rilevamento biomedico, diodi emettitori di luce, e celle solari".