Utilizzando un nuovo tipo di nanoreattore, ricercatori della Chalmers University of Technology, Svezia, hanno mappato reazioni catalitiche su singole nanoparticelle metalliche. Il loro lavoro potrebbe migliorare i processi chimici, e portare a catalizzatori migliori ea una tecnologia chimica più rispettosa dell'ambiente. I risultati sono pubblicati sulla rivista Comunicazioni sulla natura .

I catalizzatori aumentano la velocità delle reazioni chimiche. Svolgono un ruolo fondamentale in molti importanti processi industriali, compresa la produzione di combustibili e medicinali, e limitare le emissioni nocive dei veicoli. Sono anche elementi costitutivi essenziali per nuove tecnologie sostenibili come le celle a combustibile che generano elettricità attraverso una reazione tra ossigeno e idrogeno. I catalizzatori possono anche contribuire alla decomposizione delle tossine ambientali pulendo le sostanze chimiche velenose dall'acqua, Per esempio.

Per progettare catalizzatori più efficaci per il futuro, sono necessarie conoscenze fondamentali, come comprendere la catalisi a livello delle singole particelle catalitiche attive.

Per visualizzare la difficoltà di comprendere oggi le reazioni catalitiche, immagina una folla a una partita di calcio, dove un certo numero di spettatori accende razzi. Il fumo si diffonde rapidamente, e una volta che una nuvola di fumo si è formata sulla folla, è quasi impossibile dire chi abbia effettivamente acceso i bengala, o con quanta potenza ciascuno sta bruciando. Le reazioni chimiche nella catalisi avvengono in modo analogo. Sono coinvolte milioni di singole particelle, ed è attualmente molto difficile tracciare e determinare i ruoli di ciascuno specifico, compreso quanto sono efficaci e quanto ciascuno ha contribuito alla reazione.

È quindi necessario indagare il processo catalitico a livello delle singole nanoparticelle. Il nuovo nanoreattore ha permesso ai ricercatori di Chalmers di farlo. Il reattore è costituito da circa 50 nanotunnel di vetro riempiti di liquido e disposti in parallelo. In ogni tunnel, i ricercatori hanno posizionato una singola nanoparticella d'oro. Sebbene siano di dimensioni simili, ogni nanoparticella ha diverse qualità catalitiche, alcune sono altamente efficaci, altri decisamente meno ottimali. Per essere in grado di discernere come le dimensioni e la nanostruttura influenzino la catalisi, i ricercatori hanno misurato la catalisi sulle particelle individualmente.

"Abbiamo inviato nei nanotunnel due tipi di molecole che reagiscono tra loro. Un tipo di molecola è fluorescente ed emette luce. La luce si spegne solo quando incontra un partner del secondo tipo sulla superficie delle nanoparticelle, e si verifica una reazione chimica tra le molecole. Osservare questa estinzione della "luce alla fine del nanotunnel" a valle delle nanoparticelle ci ha permesso di tracciare e misurare l'efficienza di ciascuna nanoparticella nel catalizzare la reazione chimica, "dice Sune Levin, dottorando presso il Dipartimento di Biologia e Biotecnologie della Chalmers University of Technology, e autore principale dell'articolo scientifico.

Ha condotto gli esperimenti sotto la supervisione dei professori Fredrik Westerlund e Christoph Langhammer. Il nuovo nanoreattore è il risultato di un'ampia collaborazione tra ricercatori di diversi dipartimenti di Chalmers.

"Un'efficace catalisi è essenziale sia per la sintesi che per la decomposizione delle sostanze chimiche. Ad esempio, catalizzatori sono necessari per la produzione di materie plastiche, medicinali e carburanti nel migliore dei modi, e abbattere efficacemente le tossine ambientali, "dice Fredrik Westerlund, Professore presso il Dipartimento di Biologia e Biotecnologie di Chalmers.

Lo sviluppo di materiali catalizzatori migliori è necessario per un futuro sostenibile e ci sono grandi vantaggi sociali ed economici da realizzare.

"Se le nanoparticelle catalitiche potessero essere raffinate in modo ottimale, società potrebbe trarne enormi benefici. Nell'industria chimica, ad esempio, rendere alcuni processi più efficaci solo di qualche punto percentuale potrebbe tradursi in un aumento significativo delle entrate, così come impatti ambientali drasticamente ridotti, ", afferma il capo del progetto di ricerca Christoph Langhammer, Professore presso il Dipartimento di Fisica di Chalmers.