Convertidores catalíticos más eficientes en automóviles, baterías mejoradas y sensores de gas más sensibles son algunos de los beneficios potenciales de un nuevo sistema que puede medir directamente la forma en que los nanocristales adsorben y liberan hidrógeno y otros gases.

La técnica, que fue desarrollado por la profesora asistente de ingeniería química y biomolecular de la Universidad de Vanderbilt, Rizia Bardhan, se describe en un artículo publicado en línea el 4 de agosto por la revista Materiales de la naturaleza .

En los últimos 30 años, Ha habido una enorme cantidad de investigación que estudia los nanocristales, pequeños cristales de entre uno y 100 nanómetros de tamaño (un nanómetro es una pulgada lo que una pulgada es 400 millas), debido a la expectativa de que tienen propiedades físicas y químicas únicas que se puede utilizar en una amplia gama de aplicaciones.

Una clase de aplicaciones depende de la capacidad de los nanocristales para atrapar moléculas y partículas específicas del aire. agárrelos y luego libérelos:un proceso llamado adsorción y desorción. El progreso en esta área se ha visto obstaculizado por las limitaciones de los métodos existentes para medir los cambios físicos y químicos que tienen lugar en los nanocristales individuales durante el proceso. Como resultado, Los avances se han logrado mediante prueba y error y se han limitado a muestras diseñadas y geometrías específicas.

"Nuestra técnica es simple, directo y utiliza instrumentos estándar, por lo que otros investigadores no deberían tener dificultades para usarlo, ", dijo Bardhan. Los colaboradores en el desarrollo fueron el profesor asistente de ingeniería mecánica de Vanderbilt, Cary Pint, Ali Javey de la Universidad de California, Berkeley y Lester Hedges, Stephen Whitelam y Jeffrey Urban del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley.

El método se basa en un procedimiento estándar llamado espectroscopia de fluorescencia. Un rayo láser se enfoca en los nanocristales objetivo, provocando que emitan fluorescencia. A medida que los nanocristales adsorben las moléculas de gas, la fuerza de sus atenuaciones fluorescentes y a medida que liberan las moléculas de gas, se recupera.

"El efecto de fluorescencia es muy sutil y muy sensible a las diferencias en el tamaño de los nanocristales, ", explicó." Para verlo, debe usar nanocristales que sean de tamaño uniforme ". Esa es una de las razones por las que el efecto no se había observado antes:las técnicas de fabricación como el molino de bolas y otros métodos de química húmeda que se han utilizado ampliamente producen nanocristales en una gama de diferentes tamaños Estas diferencias son suficientes para enmascarar el efecto.

Para probar su técnica, los investigadores estudiaron la detección de gas hidrógeno con nanocristales hechos de paladio. Eligen el paladio porque es muy estable y libera fácilmente hidrógeno adsorbido. Usaron hidrógeno debido al interés en usarlo como reemplazo de la gasolina. Uno de los principales obstáculos técnicos a este escenario es el desarrollo de un método de almacenamiento seguro y rentable. Un sistema de hidruro metálico basado en nanocristales es uno de los enfoques prometedores en desarrollo.

Las mediciones que hicieron revelaron que el tamaño de los nanocristales tiene un efecto mucho más fuerte sobre la velocidad a la que el material puede adsorber y liberar hidrógeno y la cantidad de hidrógeno que el material puede absorber de lo que se esperaba anteriormente, todas propiedades clave para un sistema de almacenamiento de hidrógeno. Cuanto menor sea el tamaño de partícula, cuanto más rápido el material pueda absorber el gas, cuanto más gas pueda absorber y más rápido podrá liberarlo.

"En el pasado, la gente pensaba que el efecto de tamaño se limitaba a tamaños de menos de 15 a 20 nanómetros, pero descubrimos que se extiende hasta 100 nanómetros, —dijo Bardhan.

Los investigadores también determinaron que la tasa de adsorción / desorción estaba determinada por solo tres factores:presión, temperatura y tamaño de nanocristales. No encontraron que factores adicionales como defectos y deformaciones tuvieran un efecto significativo como se sugirió anteriormente. Basado en esta nueva información, crearon una simple simulación por computadora que puede predecir las tasas de adsorción / desorción de varios tipos y rangos de tamaño de nanocristales con una variedad de gases diferentes.

"Esto hace posible optimizar una amplia gama de aplicaciones de nanocristales, incluidos los sistemas de almacenamiento de hidrógeno, Convertidores catalíticos, baterías pilas de combustible y supercondensadores, "Dijo Bardhan.