Al examinar diminutas partículas de oro con potentes rayos X, los científicos esperan poder aprender a reducir las emisiones nocivas de monóxido de carbono de los vehículos de motor.

El monóxido de carbono es incoloro, Gas inodoro y peligroso producido por automóviles. camiones y otros vehículos que queman combustibles fósiles. Los sistemas de escape utilizan un convertidor catalítico para cambiar ese monóxido de carbono en dióxido de carbono no tóxico, pero según la Agencia de Protección Ambiental de EE. UU., Los vehículos que queman combustible son la mayor fuente de emisiones de monóxido de carbono en la atmósfera. aumentando la abundancia de gases de efecto invernadero en el aire.

Los científicos de todo el mundo están trabajando para reducir esas emisiones, y una forma de hacerlo es aprender más sobre las reacciones químicas que ocurren dentro del sistema de escape. Esas reacciones suelen utilizar oro como catalizador. Si bien grandes cantidades de oro son inertes, diminutas partículas de él son un catalizador activo en la oxidación del monóxido de carbono, una reacción que lo convierte en dióxido de carbono.

Aline Passos y Florian Meneau han estado estudiando esa reacción durante años. Ambos trabajan en el Laboratorio Brasileño de Luz Sincrotrón (LNLS), Passos como químico y Meneau como físico. Juntos lideran un equipo de investigación que recientemente utilizó los rayos X ultrabrillantes de la Fuente de Fotones Avanzada (APS), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. en el Laboratorio Nacional Argonne del DOE, para iluminar diminutas partículas de oro mientras catalizaban una reacción similar a la que ocurre dentro del escape de un automóvil. Los resultados de esta investigación fueron publicados en Comunicaciones de la naturaleza .

"Si podemos comprender mejor cómo funciona esta catálisis, podemos optimizarlo y mejorarlo, ", Dijo Passos." Si podemos diseñar mejor los catalizadores, podemos controlar o limitar el monóxido de carbono ".

Las propiedades de esta reacción son bien conocidas, Passos y Meneau dijeron:pero estudiar la reacción de una sola partícula de oro pequeña a medida que sufre esta reacción es un nuevo territorio científico, y solo es posible gracias a la tecnología disponible en la APS.

Para realizar este experimento, Passos sintetizó nanopartículas de oro, unos 60 nanómetros de diámetro. (Para escala, una hoja de papel es aproximadamente 100, 000 nanómetros de espesor). Los construyó en dos formas, esferas y cubos, e introdujo algunos defectos químicos en algunas de las partículas, cambiando ligeramente la estructura atómica para ver si eso afectó la forma en que catalizaron la reacción.

"Los átomos en diferentes posiciones cambian, y cambian las propiedades electrónicas y químicas, "Dijo Meneau." Es bien sabido cómo hacer esto. Pero antes solo habíamos podido examinar la etapa de catálisis. No hemos podido observar qué cambia dentro de una sola partícula durante la reacción ".

Para lograr esto, El equipo brasileño luego llevó estas partículas a la línea de luz 34-ID-C en el APS, que se especializa en lo que se llama experimentos de imágenes "in situ". Esto significa que los haces de rayos X APS se pueden usar para tomar fotografías de muestras mientras están experimentando reacciones:cambios de temperatura, por ejemplo, o aumento de la presión, en tiempo real. En este caso, Los científicos utilizaron las nanopartículas de oro para oxidar el monóxido de carbono y capturaron los cambios en el marco cristalino de las partículas a medida que ocurría la reacción.

Wonsuk Cha, un físico asistente de la División de Ciencias de Rayos X de Argonne (XSD) y coautor del artículo, ha estado trabajando durante años en experimentos in situ en esta línea de luz. El reto, él dice, ha estado desarrollando cámaras para los experimentos que son compatibles con la técnica de imagen.

"Uno de los desafíos es el tamaño reducido de las muestras con las que trabajamos, ", dijo." El tamaño del haz es típicamente de 500 nanómetros de ancho, y hemos perfeccionado técnicas para monitorear la posición de la muestra dentro del haz, lo que permite que el experimento continúe ".

La técnica utilizada en este experimento se llama imágenes de difracción de rayos X coherentes (CDI), y Ross Harder, un físico con XSD, ha sido el desarrollador principal de instrumentación para esa técnica en Argonne desde 2008. Para los experimentos de CDI, el haz de rayos X se difracta fuera de la muestra y proyecta un patrón de información en un detector, y luego se utilizan algoritmos informáticos para interpretar esa información y construir una imagen a partir de ella.

"Podemos ver imágenes a nanoescala que no podemos ver con una luz normal, "Dijo Harder." Sólo hay un puñado de fuentes de luz en el mundo capaces de hacer este experimento ".

El resultado, Meneau dijo:es una nueva imagen de la forma en que estas nanopartículas experimentan reacciones catalíticas. La imagen que surgió es un mapa de la tensión en la partícula, una medida del cambio de forma cuando la muestra se somete a tensión, en las esquinas y los bordes. mostrando que estas partes de las nanopartículas están más involucradas en la catálisis.

Los datos también muestran que la cepa puede verse afectada por cambios químicos inducidos, y que las nanopartículas de forma y tamaño idénticos no experimentan esta reacción de la misma manera. Esto significa que la reacción en sí puede potencialmente cambiarse a nivel químico alterando el catalizador.

Si bien las muestras del tamaño utilizado en este experimento pueden parecer pequeñas, el tamaño típico de un catalizador de oro en aplicaciones industriales es de cinco nanómetros de espesor, aproximadamente del ancho de dos hebras de ADN humano. Passos y Meneau dijeron que el siguiente paso para su investigación es reducirla, con el objetivo de capturar la reacción catalítica en muestras cada vez más pequeñas.

Un proyecto de actualización masiva en curso en el APS permitirá esta reducción, ellos dijeron, al igual que la nueva fuente de luz en LNLS, Sirio, que está programado para entrar en línea en 2021. La actualización de APS aumentará el brillo y el flujo coherente de 100 a 1, 000 veces en comparación con el APS actual, lo que mejorará la calidad de las imágenes de difracción.

"Sesenta nanómetros es demasiado grande para la industria, "Meneau dijo, "pero la actualización de APS nos permitirá investigar muestras más pequeñas. Las nuevas máquinas pueden hacer esto".