(Phys.org) —La producción de energía sostenible exige materiales con propiedades físicas y químicas específicas que están controladas por el tamaño y la carga eléctrica de pequeñas partículas metálicas, y los científicos del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico han descubierto cómo controlar con precisión ambas propiedades. Los catalizadores sólidos suelen estar hechos de pequeños grupos de metales dispersos sobre un material de soporte. Para distribuir de forma más eficaz los grupos en el soporte, se puede usar una capa de moléculas "fibrosas" para atar los grupos a la superficie. El equipo de PNNL descubrió que las propiedades de estas cadenas controlan el número de cargas transportadas por los grupos catalíticos dispersos en la parte superior de la capa.
"Cuando desarrollas catalizadores, la carga importa, "dijo la Dra. Julia Laskin, un químico físico de la PNNL que dirigió esta investigación. "Necesitamos mejores herramientas para medir los estados de carga de las moléculas catalíticas en las superficies".
Los catalizadores son materiales intrincados diseñados para aumentar la eficiencia y reducir el desperdicio asociado con la creación de productos como combustibles, plásticos y farmacéuticos. La mejora de los catalizadores puede permitir que los combustibles y otros materiales se fabriquen con menos energía y menos desperdicio. Los catalizadores sólidos actuales que actúan sobre reactivos líquidos o gaseosos a menudo se componen de nanopartículas metálicas mal definidas dispersas al azar sobre materiales de soporte con grandes áreas superficiales. A diferencia de, la próxima generación de catalizadores se formulará a partir de conjuntos controlados de mesoescala de grupos de metales con propiedades que dependen del número de átomos de metal y del estado de carga. Para ensamblar grupos de metales bien definidos en estructuras de mesoescala para catálisis, Se necesitan técnicas que proporcionen un control preciso sobre el tamaño, estado de carga, y densidad de los racimos de metales en las superficies.
"Nuestro enfoque proporciona control átomo por átomo del tamaño y control electrón por electrón del estado de carga de los grupos de metales en las superficies, "dijo el Dr. Grant Johnson, un químico físico involucrado en el estudio y ex becario Linus Pauling que recientemente se unió al Laboratorio como científico a tiempo completo.
Al diseñar catalizadores u otros materiales relacionados con la energía, a menudo se utiliza un enfoque de cocinar y mirar. Los científicos toman materiales y combinaciones probables, aplicar la experiencia y la intuición, y sintetizar los nuevos materiales que se necesitan. Este proceso es caro y requiere mucho tiempo. Se necesitan conocimientos fundamentales y un control atómicamente preciso para diseñar racionalmente los materiales que desean los científicos. Entra en el equipo de PNNL.
La investigación se divide en dos partes:síntesis de los grupos de metales y aterrizaje suave de los grupos seleccionados por tamaño en las superficies. Los grupos utilizados en el estudio son iones positivos con carga triple (+3) de menos de 1 nanómetro de diámetro. Contienen exactamente 11 átomos de oro.
"El mayor desafío no fue la síntesis, pero la caracterización:descubrir cuántas cargas retienen los grupos después de que se posan suavemente en las superficies, "dijo Thomas Priest, un pasante de pregrado que trabajó en el estudio. "Es muy emocionante observar cuán diferentes son dependiendo de las propiedades de la superficie". Sacerdote, quien fue el segundo autor de dos artículos de revistas que describen investigaciones realizadas durante su pasantía, sintetizó las soluciones de los racimos de oro. Priest ahora está trabajando en su maestría en ingeniería en la Universidad de Louisville.
Las superficies sobre las que se depositaron los racimos de oro son una base de oro con una monocapa de moléculas que contienen una cadena de hidrocarburos y terminan con un grupo funcional diferente, como -CH 3 , -CF 3 o -COOH. Variando el grupo funcional terminal, la polaridad de las moléculas se ajustó de pequeña a extrema. La polaridad de las moléculas determina la propensión de la monocapa a tunelizar electrones a un cierto potencial.
El túnel de electrones a través de la capa tiene un fuerte efecto sobre la carga de iones de racimo de carga múltiple de aterrizaje suave en la superficie. Por ejemplo, cuando se utiliza una monocapa a base de hidrocarburos ligeramente polar, los cúmulos de oro de 3+ aterrizajes suaves obtienen hasta tres electrones de la superficie, convirtiéndose así en neutral. A diferencia de, en la superficie a base de flúor altamente polar, los racimos de oro mantienen su carga de 3+, sin obtener electrones de la superficie. Las moléculas polares en la monocapa introducen un dipolo de interfaz, esencialmente una barrera de carga entre la superficie y el grupo.
Tras este descubrimiento, los investigadores continuaron para ver si cubrir la superficie con una capa más densa de cúmulos de oro con carga múltiple cambiaba las cargas de los cúmulos. Desde el punto de vista de la carga, todo el resultado cambió de repente. En la superficie a base de flúor en los experimentos anteriores, todos los grupos conservaron su carga de +3. Ahora, la superficie tenía un centro de racimos de oro con una carga de +1 y, en los bordes, los grupos fueron predominantemente +2 y +3.
¿Por qué pasó esto?
"El mayor número de cúmulos de carga múltiple depositados en la superficie acumuló un potencial suficiente para permitir que los electrones de la superficie hicieran un túnel hacia los cúmulos de oro, reduciendo así su estado de carga, ", explicó Johnson." Comprender cómo se rompen estas barreras de túneles les da a los científicos el conocimiento que necesitan para controlar las cargas del material ".
Laskin y Johnson ahora están utilizando este conocimiento para preparar matrices de mesoescala especializadas de grupos de metales bien definidos en superficies. Estas matrices podrían tener aplicaciones en pilas de combustible, y fuentes de energía eficientes.
