C'è un detto per "non cambiare mai un sistema in esecuzione". I nuovi metodi possono tuttavia essere di gran lunga superiori a quelli più vecchi. Mentre ad oggi le reazioni chimiche sono principalmente accelerate da materiali catalitici che comprendono diverse centinaia di atomi, l'uso di singoli atomi potrebbe fornire un nuovo approccio per la catalisi.

Un gruppo di ricerca internazionale, guidato dalla TU Wien, Austria, ha ora sviluppato un nuovo metodo per ancorare i singoli atomi in modo controllato e stabile sulle superfici. Questo è un passo importante verso la catalisi a singolo atomo. I ricercatori che lavorano con Bernhard C. Bayer hanno presentato il nuovo metodo sulla rivista scientifica ACS Nano .

Atomi singoli per sostituire le nanoparticelle

I catalizzatori moderni sono costituiti da nanoparticelle e sono quindi molto piccoli. Però, considerando la loro dimensione su scala atomica, comprendono ancora centinaia di atomi, molto più grandi dei catalizzatori a singolo atomo. Se diventasse possibile accelerare le reazioni chimiche con singoli atomi, questo potrebbe aprire nuove opportunità di catalisi. La catalisi a singolo atomo può essere più sostenibile ed efficiente dal punto di vista energetico e può anche essere più selettiva e raggiungere un fatturato maggiore rispetto ai processi tradizionali.

Nel metodo di nuova concezione, gli atomi di silicio fungono da "ancore" per singoli atomi di metallo. Gli stessi atomi di silicio si presentano spesso come impurità nei materiali di supporto del carbonio. A questi atomi di silicio ora sono legati gli atomi di indio, che possono agire come catalizzatori a singolo atomo. "Gli atomi di indio si legano selettivamente alle ancore di silicio nel reticolo cristallino di carbonio, " dice Bernhard C. Bayer dell'Istituto per la chimica dei materiali presso la TU Wien. "In tal modo i singoli atomi di indio rimangono stabili e ancorati alle loro posizioni e non si aggregano insieme, " continua Bayer, che ha condotto la ricerca. "Ciò che rende la nuova tecnologia particolarmente interessante è che gli atomi di indio sono ancorati in modo autoassemblato, se le condizioni di reazione sono giuste. Questo rende il processo potenzialmente scalabile, " aggiunge Kenan Elibol dell'Università di Vienna e del Trinity College di Dublino e primo autore dello studio.

Il processo, tuttavia, è arrivato anche con le sue sfide che il team di ricerca ha affrontato con successo. In particolare è difficile la deposizione di singoli atomi su superfici di supporto solide. Questo perché i singoli atomi normalmente si allontanano rapidamente dalle loro posizioni e si aggregano per formare particelle più grandi. La formazione di tali particelle più grandi nega i vantaggi della catalisi a singolo atomo.

Ulteriori test a seguire

Utilizzando un microscopio elettronico ad alta risoluzione presso l'Università di Vienna, il team di ricerca ha potuto osservare i meccanismi di ancoraggio al silicio dei singoli atomi di indio. "Siamo stati in grado di dimostrare, che l'ancoraggio degli atomi di indio dipende da come le ancore di silicio sono legate al reticolo cristallino di carbonio, " dice Toma Susi dell'Università di Vienna, che ha ulteriormente chiarito le strutture di ancoraggio con metodi computazionali moderni. "Un tale ancoraggio controllato e stabile a temperatura ambiente di singoli atomi su superfici solide non è stato ancora segnalato e apre prospettive entusiasmanti per applicazioni catalitiche nei campi dell'energia e dell'ambiente, " aggiunge Dominik Eder della TU Wien ed esperto di catalisi.

Seguiranno ulteriori esperimenti affinché il metodo messo a punto dai ricercatori viennesi possa essere utilizzato anche industrialmente:"I singoli atomi posti con il nuovo metodo sono ora da testare in dettaglio come catalizzatori per varie reazioni chimiche, " dice Bernhard C. Bayer.