I catalizzatori chimici sono gli agenti di cambiamento dietro la produzione di quasi tutto ciò che usiamo nella nostra vita quotidiana, dalla plastica ai farmaci da prescrizione. Quando i catalizzatori giusti vengono miscelati con i composti chimici giusti, molecole che altrimenti impiegherebbero anni per interagire lo fanno in pochi secondi.

Però, sviluppare anche un solo materiale catalizzatore per innescare questa precisa coreografia di atomi può richiedere mesi, anche anni, quando si utilizzano procedure di chimica umida tradizionali che utilizzano solo reazioni chimiche, spesso in fase liquida, per far crescere nanoparticelle.

I ricercatori dell'Università di Rochester affermano che esiste un modo per abbreviare drasticamente questo processo, utilizzando invece laser pulsati nei liquidi per creare rapidamente, accuratamente sintonizzati, array sistematici di nanoparticelle che possono essere facilmente confrontati e testati per l'uso come catalizzatori.

Il processo è descritto in a Recensioni chimiche articolo di Astrid Müller, un assistente professore di ingegneria chimica presso l'Università di Rochester che ha adattato la tecnica per il suo lavoro sulle soluzioni energetiche sostenibili. Tre dottorato di ricerca studenti nel suo laboratorio:i coautori Ryland Forsythe, Connor Cox, e Madeleine Wilsey, hanno condotto una revisione esaustiva di quasi 600 articoli precedenti riguardanti l'uso di laser pulsati nei liquidi. Di conseguenza, il loro articolo è il più completo, indagine aggiornata di una tecnologia che è stata sviluppata per la prima volta nel 1987.

Laser pulsati nei liquidi uno 'strumento indispensabile' per scoprire i catalizzatori

Quindi, come funziona la sintesi laser pulsato in liquido?

• Un laser a impulsi è diretto su un materiale solido immerso in un liquido. Questo crea una temperatura elevata, plasma ad alta pressione vicino alla superficie del solido.
• Quando il plasma decade, vaporizza le molecole nel liquido circostante, portando a una bolla di cavitazione. All'interno della bolla, iniziano a verificarsi reazioni chimiche tra le particelle del liquido e le particelle che sono state ablate, o sciolto, dal solido.
• Dopo periodiche espansioni e contrazioni, la bolla di cavitazione implode violentemente, causando onde d'urto e un rapido raffreddamento. Le nanoparticelle della bolla si condensano in piccoli grappoli che vengono iniettati nel liquido circostante e diventano stabili.

La tecnica del laser pulsato nei liquidi offre molteplici vantaggi rispetto alla tradizionale sintesi in laboratorio dei nanomateriali. Secondo Muller:

• Poiché le reazioni sono confinate principalmente all'interno della bolla di cavitazione, le nanoparticelle risultanti hanno proprietà notevolmente uniformi. "Ogni particella che è fatta è creata nelle stesse condizioni, " lei dice.
• Le proprietà delle nanoparticelle possono essere facilmente regolate regolando gli impulsi laser e le composizioni chimiche del solido e del fluido circostante.
• I nanocatalizzatori realizzati con il laser sono intrinsecamente più attivi di quelli ottenuti con metodi di chimica umida.
• È possibile produrre facilmente nanomateriali metastabili con strutture e composizioni non in equilibrio. Tali materiali non possono essere realizzati a temperature e pressioni moderate.
• La sintesi laser può essere controllata a distanza, aumentare il potenziale per applicazioni industriali su larga scala.

Anche la sintesi di nanomateriali con laser pulsato in liquidi è molto più rapida rispetto ai metodi tradizionali. La tecnica può preparare grandi quantità di una nanoparticella in un'ora o meno. Matrici sistematiche di 70 materiali possono essere realizzate in una settimana.

"Questi vantaggi lo rendono uno strumento indispensabile per la scoperta, "dice Muller, il cui background include il lavoro nei laser, materiali, ed elettrocatalisi. "Spesso ci sono persone che conoscono laser e materiali, o forse elettrocatalisi e materiali, ma molto raramente trovi qualcuno con esperienza in tutti e tre".

Lei dice, "Questo è ciò che ci ha spinto a scrivere questo documento, perché il gruppo Müller può riunire le prospettive di tutti e tre i campi."

Come i catalizzatori possono combattere il cambiamento climatico

Mentre lavorava come scienziato del personale al Caltech, Müller ha aperto la strada a un adattamento della tecnica del laser nei liquidi per preparare elettrocatalizzatori non preziosi che scindono l'acqua che liberano l'ossigeno dall'acqua per produrre idrogeno pulito. A Rochester, il gruppo Müller amplia la sua esperienza per studiare gli elettrocatalizzatori laser come un modo per trasformare il biossido di carbonio dannoso per il clima (CO ₂ ) in un ciclo chiuso di combustibili liquidi utili, come metanolo o etanolo.

"Se dovessi bruciare di nuovo questi combustibili, fai CO ₂ ancora, così vai in tondo. Il carbonio rimane sempre all'interno del ciclo, e non contribuisce a ulteriori cambiamenti climatici, " dice Müller. "Per farlo funzionare abbiamo bisogno di catalizzatori, e nessuno sa ancora quali sarebbero quei catalizzatori, cosa funzionerebbe e perché, e perché altri catalizzatori non funzionano."

Da qui il suo interesse nell'usare la sintesi laser pulsata in liquido per accelerare il processo. "È estremamente importante perché non possiamo semplicemente sederci e sperare per il meglio con il cambiamento climatico; dobbiamo lavorare su tecnologie successive ora, " lei dice.

Finora, la sintesi laser pulsata in liquido ha avuto solo un uso commerciale limitato. Il costo di avviamento dell'investimento nella tecnologia laser è un ostacolo per molte aziende, dice Muller. "Ma questo cambierà man mano che questo metodo prenderà sempre più piede, " lei crede.

Grazie al laboratorio di Müller, la sintesi del laser pulsato nei liquidi sta sicuramente ricevendo più attenzione. Entro tre settimane, il loro documento era diventato un catalizzatore a sé stante essendo stato scaricato più di 1, 500 volte.