Tener el tamaño adecuado y existir en el limbo entre un estado sólido y líquido parecen ser los secretos para mejorar la eficiencia de los catalizadores químicos que pueden crear mejores nanopartículas o fuentes de energía más eficientes.

Cuando la materia está en este estado de transición, un catalizador puede alcanzar su máximo potencial con la combinación correcta de tamaño de partícula y temperatura del catalizador, según un par de investigadores de la Universidad de Duke. Un catalizador es un agente o químico que facilita una reacción química. Se estima que más del 90 por ciento de los procesos químicos utilizados por la industria involucran catalizadores en algún momento.

Este hallazgo podría tener amplias implicaciones en casi todas las reacciones basadas en catalizadores, según un ingeniero y un químico de Duke que informaron sus hallazgos en línea en la revista de la American Chemical Society ACS-Nano . El equipo descubrió que la relación superficie-volumen de la partícula de catalizador, su tamaño, es más importante de lo que generalmente se cree.

"Descubrimos que el tamaño más pequeño de un catalizador conducirá a una reacción más rápida que si la masa, o más grande, se utiliza una versión del mismo catalizador, "dijo Stefano Curtarolo, profesor asociado del Departamento de Ingeniería Mecánica y Ciencias de los Materiales.

"Esto se suma al exceso habitual de superficie en las nanopartículas, "dijo Curtarolo, a quien se le ocurrió la base teórica de los hallazgos hace tres años y los vio confirmados por una serie de intrincados experimentos llevados a cabo por Jie Liu, Profesor de química de Duke.

"Esto abre una nueva área de estudio, Dado que el estado termocinético del catalizador no se ha considerado antes un factor importante, "Dijo Curtarolo." A primera vista es paradójico. Es como decir que si un automóvil usa menos gasolina (una partícula más pequeña), irá más rápido y más lejos ".

Su serie de experimentos se llevaron a cabo utilizando nanotubos de carbono, y los científicos creen que los mismos principios que describieron en el documento se aplican a todos los procesos impulsados ​​por catalizadores.

Liu demostró la hipótesis de Curtarolo al desarrollar un método novedoso para medir no solo las longitudes de los nanotubos de carbono en crecimiento, sino también sus diámetros. Los nanotubos son estructuras tubulares microscópicas "en forma de malla" que se utilizan en cientos de productos, como textiles, células solares, transistores, filtros de contaminación y chalecos antibalas.

"Normalmente, Los nanotubos crecen de una superficie plana de manera desorganizada y parecen un plato de espaguetis, por lo que es imposible medir un tubo individual, ", Dijo Liu." Pudimos cultivarlos en hebras paralelas individuales, lo que nos permitió medir tanto la tasa de crecimiento como la duración del crecimiento ".

Al hacer crecer estos nanotubos usando diferentes tamaños de partículas de catalizador y a diferentes temperaturas, Liu pudo determinar el "punto óptimo" en el que los nanotubos crecían más rápido y más largo. Como se vio despues, esto sucedió cuando la partícula estaba en su estado viscoso, y que más pequeño era mejor que más grande, exactamente como se predijo antes.

Estas mediciones proporcionaron la base experimental de la hipótesis de Curtarolo de que, dada una temperatura particular, las nanopartículas más pequeñas son más efectivas y eficientes por unidad de área que los catalizadores más grandes del mismo tipo cuando residen en esa dimensión entre sólido y líquido.

"Típicamente, en este campo, los resultados experimentales son lo primero, y la explicación viene después, "Dijo Liu." En este caso, que es inusual, Tomamos la hipótesis y pudimos desarrollar un método para probar que era correcta en el laboratorio ".