Esquema de un nanoreactor tipo cáscara de yema:los reactivos A y B se difunden a través de la cáscara y reaccionan a C en la nanopartícula catalíticamente activa (amarilla). Crédito:HZB
Los físicos teóricos han ideado un modelo matemático de dos moléculas diferentes que reaccionan dentro de los llamados nanoreactores que actúan como catalizadores. Obtuvieron nuevos conocimientos sorprendentes sobre qué factores promueven reacciones y cómo controlarlos y seleccionarlos. El modelo es relevante para una amplia gama de campos de investigación, desde la biofísica hasta los materiales energéticos.
Los nano-reactores son sistemas diminutos que facilitan reacciones químicas específicas, como lo hace un catalizador. Muchos se encuentran en sistemas biológicos, como ciertas proteínas. Pero los químicos también pueden sintetizar nanoreactores artificiales para controlar las reacciones químicas. Una clase importante de estos nanoreactores tiene una arquitectura de "yema y cáscara" como un huevo:una nanopartícula metálica catalíticamente activa está rodeada por una cáscara que consiste en una red polimérica. Este tipo de nano-reactores pueden crear entornos aislados para reacciones específicas y restringirlas al pequeño espacio dentro de la cáscara.
La descripción matemática ofrece nuevos conocimientos
"Ahora hemos descrito matemáticamente por primera vez cómo se transportan dos moléculas diferentes para reaccionar dentro de los nanoreactores. El nuevo modelo muestra claramente qué factores favorecen una reacción determinada", dice el Dr. Rafael Roa. Roa es el primer autor de la publicación en Catálisis ACS y un postdoctorado en el grupo encabezado por el Prof. Joe Dzubiella en el Instituto HZB de Materias Blandas y Materiales Funcionales.
¿Lo que más importa?
Algunos de los resultados son una sorpresa:contrariamente a las expectativas, la velocidad de reacción no está tan limitada por la concentración de las moléculas en solución, pero decisivamente por la permeabilidad de la capa del nano-reactor. "Esto es extremadamente interesante, ya que los químicos de hoy en día a menudo pueden ajustar o incluso cambiar la permeabilidad de estas capas a moléculas específicas a través de variaciones de temperatura u otros parámetros", explica el coautor, el Dr. Won Kyu Kim.
Los reactivos A y B se difunden a través de la cubierta y reaccionan con el producto C en la nanopartícula catalíticamente activa (amarilla) en el interior. Crédito:HZB
Foto-activación tenida en cuenta
El nuevo modelo es un gran paso adelante de la teoría anterior hecha muchas décadas antes que solo podía manejar una molécula. "Nuestro modelo es aplicable a la investigación sobre materiales energéticos, e incluso puede tener en cuenta la fotoactivación de una de las moléculas de la cáscara por la luz solar ", Estados Dzubiella. Ha conseguido con este trabajo uno de los objetivos de su Consolidator Grant del European Research Council (ERC) (2015-2020).
Las predicciones se pondrán a prueba
El grupo de teoría de la materia blanda de Dzubiella colabora con el químico de HZB, el profesor Yan Lu, un reconocido experto en nanoreactores sintéticos. Están ansiosos por probar sus predicciones teóricas en sistemas reales. "Ahora podemos comprender mejor lo que sucede, y esperamos predecir cómo se pueden controlar los efectos catalíticos de estos tipos de nano-reactores, a través de circuitos de retroalimentación, por ejemplo, que detendrá o iniciará la reacción a voluntad ".
