Esta micrografía electrónica de transmisión de alta resolución tomada en el CFN revela la disposición de nanopartículas de óxido de cerio ("barras" angulares brillantes en la parte inferior de la imagen) apoyadas en un sustrato de titania (fondo) ‹una combinación que se está explorando como catalizador para la división del agua moléculas para liberar hidrógeno como combustible y para otras reacciones de transformación de energía.
(Phys.org) —A veces, los grandes cambios provienen de comienzos pequeños. Eso es especialmente cierto en la investigación de Anatoly Frenkel, profesor de física en la Universidad Yeshiva, que está trabajando para reinventar la forma en que usamos y producimos energía liberando el potencial de algunas de las estructuras más pequeñas del mundo:nanopartículas.
"La nanopartícula es la unidad más pequeña en la mayoría de los materiales novedosos, y todas sus propiedades están vinculadas de una forma u otra a su estructura, "dijo Frenkel." Si podemos entender esa conexión, podemos obtener mucha más información sobre cómo se puede utilizar para la catálisis, energía, y otros fines ".
A veces, los grandes cambios provienen de pequeños comienzos. Eso es especialmente cierto en la investigación de Anatoly Frenkel, profesor de física en la Universidad Yeshiva, que está trabajando para reinventar la forma en que usamos y producimos energía liberando el potencial de algunas de las estructuras más pequeñas del mundo:nanopartículas.
"La nanopartícula es la unidad más pequeña en la mayoría de los materiales novedosos, y todas sus propiedades están vinculadas de una forma u otra a su estructura, "dijo Frenkel." Si podemos entender esa conexión, podemos obtener mucha más información sobre cómo se puede utilizar para la catálisis, energía, y otros fines ".
Frenkel está colaborando con el científico de materiales Eric Stach y otros en el Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. Para desarrollar nuevas formas de estudiar cómo se comportan las nanopartículas en los catalizadores, los "impulsores" de reacciones químicas que convierten los combustibles en formas utilizables de energía y transforman materias primas a productos industriales.
"Estamos desarrollando un nuevo 'micro-reactor' que nos permite explorar muchos aspectos de la función catalítica utilizando múltiples enfoques en la fuente de luz sincrotrón nacional de Brookhaven (NSLS), el NSLS-II, que pronto se completará, y el Centro de Nanomateriales Funcionales (CFN), "dijo Stach, que trabaja en el CFN. "Este enfoque nos permite comprender múltiples aspectos de cómo funcionan los catalizadores para que podamos ajustar su diseño para mejorar su función. Este trabajo podría conducir a grandes ganancias en la eficiencia energética y ahorros de costos para los procesos industriales".
Herramientas de alta tecnología para la ciencia
Hasta ahora, los métodos para comprender las propiedades catalíticas solo se pueden usar uno a la vez, con el catalizador terminando en un estado diferente para cada uno de los experimentos. Esto dificultó la comparación de la información obtenida con los diferentes instrumentos. El nuevo micro-reactor empleará múltiples técnicas:microscopía, espectroscopia, y difracción:para examinar diferentes propiedades de los catalizadores simultáneamente en condiciones de funcionamiento. Manteniendo las partículas en el mismo estado estructural y dinámico bajo las mismas condiciones de reacción, el microrreactor dará a los científicos una idea mucho mejor de cómo funcionan.
"Estos desarrollos son el resultado de la combinación de instalaciones únicas disponibles en Brookhaven, ", dijo Frenkel." Al trabajar en estrecha colaboración con Eric, nos dimos cuenta de que había una manera de hacer que tanto los métodos basados en rayos X como los basados en electrones funcionaran de una manera verdaderamente complementaria.
Cada técnica tiene fortalezas, Stach explicó. "En NSLS, utilizando potentes haces de rayos X, podemos decir cómo se comporta todo el grupo de nanopartículas, mientras que la microscopía electrónica en el CFN nos permite ver la estructura atómica de cada nanopartícula. Al tener estos dos puntos de vista de los catalizadores, podemos comprender más claramente la relación entre la estructura y función del catalizador ".
Dijo Frenkel, "Fue muy satisfactorio para nosotros realizar las primeras pruebas con el reactor en cada instalación y recibir resultados positivos. Estoy particularmente agradecido con Ryan Tappero, el científico que dirige la línea de luz NSLS X27A, por su ayuda experta con la adquisición de datos de rayos X ".
Frenkel ha tenido una colaboración continua con científicos de Brookhaven. El año pasado, con el investigador asociado postdoctoral Qi Wang, Frenkel y Stach midieron las propiedades de las nanopartículas utilizando los rayos X producidos por el NSLS, así como imágenes a escala atómica con electrones en el CFN. Como se informó en un artículo publicado en el Revista de la Sociedad Química Estadounidense a principios de este año, descubrieron que en lugar de cambiar completamente de un estado a otro a una determinada temperatura y tamaño, como se había creído anteriormente, hay una zona de transición entre estados cuando las partículas cambian de forma.
"Esto es fundamentalmente importante porque hasta ahora, se sabía que las estructuras simplemente cambiaban de una forma a otra; nunca se imaginó que coexistieran en diferentes formas, ", Dijo Frenkel." Con nuestra información podemos explicar por qué los catalizadores a menudo no funcionan como se esperaba y cómo mejorarlos ".
Formación para jóvenes científicos
La colaboración también ofrece oportunidades para que los estudiantes experimenten los desafíos de la investigación, dándoles acceso a las herramientas de clase mundial en Brookhaven. Los estudiantes de pregrado de Frenkel en el Stern College for Women de la Universidad Yeshiva ayudan con las mediciones, análisis de los datos, e interpretación, y muchos ya lo han acompañado a Brookhaven para ayudarlo en su trabajo utilizando NSLS y otros instrumentos de vanguardia.
"Les estoy brindando experiencia de primera mano sobre cómo es la vida de un investigador desde el principio mientras realizan investigaciones de primer nivel, ", dijo Frenkel." Esta experiencia abre las puertas a cualquier campo en el que quieran estar ".
Alyssa Lerner, un estudiante de pre-ingeniería que ha estado trabajando con Frenkel en Brookhaven, dijo que la investigación "me ha ayudado a desarrollar habilidades como el análisis computacional y el pensamiento crítico, que son imprescindibles en cualquier campo científico. La experiencia experimental práctica me ha dado una mejor comprensión de cómo opera la comunidad científica, ayudándome a tomar decisiones más informadas relacionadas con la carrera a medida que continúo avanzando en mi educación ".
Emparejar estudiantes y mentores para avanzar en la educación y hacer uso de técnicas de imágenes complementarias para mejorar la eficiencia energética, solo dos de los resultados positivos de esta exitosa colaboración.
"Al reunir varias técnicas complementarias para iluminar el mismo proceso, entenderemos cómo funcionan los nanomateriales, ", Dijo Frenkel." En última instancia, esta investigación creará una mejor manera de usar, almacenamiento y conversión de energía ".
