Dos métodos de grabado diferentes produjeron dos tipos diferentes de nanopartículas:nanorice (arriba) y nanodumbbells. En ambos, la superficie plana original del nanocuboide fue reemplazada por una superficie curva con más expuesta, átomos catalíticamente activos. Crédito:Sociedad Química Estadounidense
(Phys.org) —Los catalizadores de superficie son muy difíciles de estudiar mecánicamente, pero los científicos de la Universidad de Carolina del Sur y la Universidad de Rice han demostrado cómo obtener información de reacción en tiempo real de los nanocatalizadores Ag que han frustrado durante mucho tiempo los intentos de describir su comportamiento cinético en detalle.
La clave del éxito del equipo fue cerrar una brecha de tamaño que había representado un gran abismo para los investigadores en el pasado. Para ser eficaces como nanocatalizadores, metales nobles como Au, Pt, Normalmente, el Pd y el Ag deben ser nanopartículas de menos de 5 nm, dice Hui Wang, profesor asistente de química y bioquímica en Carolina del Sur que dirigió el equipo en colaboración con Peter Nordlander de Rice University.
Desafortunadamente, 5 nm está por debajo del umbral de tamaño en el que se puede aprovechar eficazmente la resonancia de plasmón. La resonancia de plasmón es un fenómeno que da lugar a una mejora espectacular de las señales electromagnéticas incidentes, que es la base de técnicas analíticas como la espectroscopía Raman mejorada de superficie (SERS).
La capacidad de utilizar el poder analítico de la resonancia de plasmón en un nanomaterial requiere nanopartículas más grandes, "al menos decenas de nanómetros de diámetro, ", dice Wang. La incompatibilidad de los dos regímenes de tamaño había impedido durante mucho tiempo el uso de una variedad de técnicas espectrales basadas en resonancia de plasmón (SERS es solo una) en nanocatalizadores de metales nobles por debajo de 5 nm.
Pero como acaban de informar en Nano letras , Wang y su equipo lograron combinar lo mejor de ambos mundos de tamaño.
El grabado se puede detener en diferentes etapas para producir una variedad de tamaños y formas de nanopartículas. Aquí se muestran nanocuboides (arriba) y nanodumbbells en dos etapas de grabado diferentes (medio e inferior). Crédito:Sociedad Química Estadounidense
Comenzando con nanopartículas cuboidales de aproximadamente 50 nm de ancho y 120 nm de largo, Grabaron químicamente superficies planas de una manera que generó superficies curvas, creando nanopartículas que catalizaron con éxito una reacción de hidrogenación de superficie modelo. Según el equipo, la catálisis es el resultado de reemplazar átomos de baja energía en la superficie plana con átomos expuestos después del grabado.
"Si tienes una superficie plana, el número de coordinación de cada átomo de superficie es ocho o nueve, "dice Wang sobre sus nanopartículas, que tenía una superficie de Ag puro antes de grabar. "Pero si tienes algunos pasos atómicos en una superficie, el número de coordinación disminuirá. Estos átomos expuestos son más activos ".
La superficie escalonada del nanomaterial grabado imita así el entorno de una nanopartícula de menos de 5 nm:más expuesta, los átomos de la superficie activa pueden participar en la catálisis.
Y la catálisis está en una nanopartícula con actividad plasmónica, que, según demostraron los investigadores, se puede "ajustar" variando la forma y el tamaño de las nanopartículas. El equipo demostró la capacidad de convertir cuboides (algo así como una varilla corta pero con lados cuadrados en lugar de redondos) en lo que denominaron "nanorice" y "nanodumbbells" a través de dos tipos diferentes de grabado químico. Las dos formas tenían distintas propiedades plasmónicas que podían variarse deteniendo el grabado en diferentes etapas para crear diferentes tamaños y formas de arroz y mancuernas a nanoescala.
Las propiedades espectrales de las diferentes nanopartículas dependen del tamaño y la forma y pueden ajustarse variando los tiempos de grabado. Crédito:Sociedad Química Estadounidense
Esa actividad plasmónica se puede aprovechar para SERS y otras técnicas analíticas para estudiar las reacciones catalíticas con gran detalle a medida que ocurren.
"La espectroscopia Raman es extremadamente poderosa, con información sobre huellas dactilares moleculares:puede ver las estructuras, puedes saber cómo están orientadas las moléculas en la superficie, "Dice Wang." Si quieres usar GC, HPLC, o especificación de masa, tienes que dañar una muestra, pero aquí puedes monitorear la reacción en tiempo real.
"Y hay mucha más información con este enfoque. Por ejemplo, identificamos el intermedio a lo largo de la vía de reacción. Con esos otros enfoques, es muy difícil hacer eso ".
