Como una persona que rompe una pelea de gatos El papel de los catalizadores en una reacción química es acelerar el proceso y salir intactos. Y, así como no todas las casas de un vecindario tienen a alguien dispuesto a intervenir en tal batalla, no todas las partes de un catalizador participan en la reacción. Pero, ¿y si uno pudiera convencer a las partes no comprometidas de un catalizador para que se involucren? Las reacciones químicas pueden ocurrir más rápido o más eficientemente.

Los científicos de materiales de la Universidad de Stanford, dirigidos por Jennifer Dionne, han hecho precisamente eso mediante el uso de técnicas ligeras y avanzadas de fabricación y caracterización para dotar a los catalizadores de nuevas habilidades.

En un experimento de prueba de concepto, Varillas de paladio que tenían aproximadamente 1/200 del ancho de un cabello humano sirvieron como catalizadores. Los investigadores colocaron estas nanobarras sobre nanobarras de oro que enfocaban y "esculpían" la luz alrededor del catalizador. Esta luz esculpida cambió las regiones de las nanovarillas donde tuvieron lugar las reacciones químicas, que liberan hidrógeno. Este trabajo, publicado el 14 de enero en Ciencias, podría ser un primer paso hacia catalizadores más eficientes, nuevas formas de transformaciones catalíticas y potencialmente incluso catalizadores capaces de sostener más de una reacción a la vez.

"Esta investigación es un paso importante en la realización de catalizadores optimizados desde la escala atómica hasta la escala del reactor, "dijo Dionne, profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales y autor principal del artículo. "El objetivo es comprender cómo, con la forma y composición adecuadas, podemos maximizar el área reactiva del catalizador y controlar qué reacciones están ocurriendo ".

Un mini laboratorio

El simple hecho de poder observar esta reacción requería un microscopio excepcional, capaz de obtener imágenes de un proceso químico activo a una escala extremadamente pequeña. "Es difícil observar cómo cambian los catalizadores en las condiciones de reacción porque las nanopartículas son extremadamente pequeñas, "dijo Katherine Sytwu, ex estudiante de posgrado en el laboratorio de Dionne y autor principal del artículo. "Las características de escala atómica de un catalizador generalmente dictan dónde ocurre una transformación, por lo que es crucial distinguir lo que está sucediendo dentro de la pequeña nanopartícula ".

Para esta reacción en particular, y los experimentos posteriores sobre el control del catalizador, el microscopio también tenía que ser compatible con la introducción de gas y luz en la muestra.

Para lograr todo esto, los investigadores utilizaron un microscopio electrónico de transmisión ambiental en las instalaciones nanocompartidas de Stanford con un accesorio especial, desarrollado previamente por el laboratorio Dionne, para introducir luz. Como sugiere su nombre, Los microscopios electrónicos de transmisión utilizan electrones para obtener imágenes de las muestras. que permite un mayor nivel de aumento que un microscopio óptico clásico, y la característica ambiental de este microscopio significa que se puede agregar gas a lo que de otra manera sería un ambiente sin aire.

"Básicamente, tienes un mini laboratorio donde puedes hacer experimentos y visualizar lo que está sucediendo a un nivel casi atómico, "dijo Sytwu.

En determinadas condiciones de temperatura y presión, el paladio rico en hidrógeno liberará sus átomos de hidrógeno. Para ver cómo afectaría la luz a esta transformación catalítica estándar, los investigadores personalizaron una nanobarra de oro, diseñada con equipos en las instalaciones nanocompartidas de Stanford y la instalación de nanofabricación de Stanford, para que se sentara debajo del paladio y actuara como una antena, recolectando la luz entrante y canalizándola hacia el catalizador cercano.

"Primero, necesitábamos comprender cómo estos materiales se transforman de forma natural. Luego, empezamos a pensar en cómo podríamos modificar y controlar cómo cambian estas nanopartículas, "dijo Sytwu.

Sin luz, los puntos más reactivos de la deshidrogenación son las dos puntas de la nanovarilla. La reacción luego viaja a través de la nanovarilla, haciendo estallar hidrógeno en el camino. Con luz, sin embargo, los investigadores pudieron manipular esta reacción para que viajara desde el medio hacia afuera o de una punta a la otra. Según la ubicación de la nanobarra de oro y las condiciones de iluminación, los investigadores lograron producir una variedad de puntos calientes alternativos.

Ruptura de vínculos y avances

Este trabajo es uno de los raros casos que muestra que es posible modificar el comportamiento de los catalizadores incluso después de su fabricación. Abre un potencial significativo para aumentar la eficiencia a nivel de catalizador único. Un solo catalizador podría desempeñar el papel de muchos, usar la luz para realizar varias de las mismas reacciones en su superficie o aumentar potencialmente el número de sitios para las reacciones. El control de la luz también puede ayudar a los científicos a evitar reacciones extrañas que a veces ocurren junto con las deseadas. El objetivo más ambicioso de Dionne es desarrollar algún día catalizadores eficientes capaces de descomponer el plástico a nivel molecular y transformarlo de nuevo en su material de origen para su reciclaje.

Dionne enfatizó que este trabajo, y lo que venga después, no sería posible sin las instalaciones y los recursos compartidos disponibles en Stanford. (Estos investigadores también utilizaron el Centro de Computación de Investigación de Stanford para realizar sus análisis de datos). La mayoría de los laboratorios no pueden permitirse el lujo de tener este equipo avanzado por sí mismos. compartirlo aumenta el acceso y el apoyo de expertos.

"Lo que podemos aprender sobre el mundo y cómo podemos permitir el próximo gran avance está tan críticamente habilitado por las plataformas de investigación compartidas, "dijo Dionne, quien también es vicerrector asociado senior para plataformas de investigación / instalaciones compartidas. "Estos espacios no solo ofrecen herramientas críticas, pero una comunidad de investigadores realmente asombrosa ".