Los científicos del Laboratorio Ames del Departamento de Energía de EE. UU. Han desarrollado una comprensión más profunda del diseño ideal para las nanopartículas mesoporosas utilizadas en reacciones catalíticas. como la conversión de hidrocarburos en biocombustibles. La investigación ayudará a determinar el diámetro óptimo de los canales dentro de las nanopartículas para maximizar la producción catalítica.
Las nanopartículas porosas son esferas diminutas creadas en laboratorio que incorporan canales o poros paralelos aún más diminutos. En procesos catalíticos, cada canal dentro de una partícula está revestido con sitios catalíticos que convierten un reactivo en un producto. Lo atractivo de las nanopartículas porosas es que las paredes de los poros proporcionan un área de superficie significativa para soportar los sitios catalíticos dentro de una esfera súper pequeña. Y, como era de esperar, cuantos más poros, cuanto más superficie, mejor será la reacción catalítica.
"La desventaja es que cuando los sitios catalíticos están dentro de poros estrechos, como es el caso de las nanopartículas mesoporosas, toda la reacción, incluyendo el movimiento de reactivos y productos tiene que ocurrir dentro del canal estrecho, "dijo Jim Evans, un científico del Laboratorio Ames que dirigió la investigación. "Al igual que cualquiera que se haya encontrado tratando de moverse por el pasillo de una tienda abarrotada, no siempre es tan fácil pasar a otros en un espacio muy estrecho ".
Entonces, el diseño óptimo para las nanopartículas mesoporosas depende del diámetro de los canales individuales:lo suficientemente estrecho para que quepan tantos poros en cada partícula como sea posible para maximizar el número de sitios catalíticos, pero lo suficientemente ancho para que los productos catalíticos y los reactivos se aprieten fácilmente entre sí y completar eficientemente la reacción. Para determinar este "punto óptimo" para el diámetro del canal, los científicos deben comprender mejor cómo las moléculas se mueven entre sí dentro del canal.
"En particular, Es útil saber la frecuencia con la que un par cercano de moléculas de reactivo y producto se cruzan en comparación con la frecuencia con la que se separan. Determinar esta 'probabilidad de paso' para diferentes diámetros de poro y varias formas moleculares relevantes ayuda a determinar cuán estrechos pueden ser los canales antes de que se reduzca la salida catalítica. "dijo Evans.
Evans y sus colaboradores realizaron millones de ensayos de simulaciones para pares de moléculas con forma de esfera y pares de moléculas con formas más irregulares. Estos permitieron la determinación precisa del comportamiento de probabilidad de paso para poros estrechos.
"Sin embargo, la simulación se vuelve exigente y los resultados son menos fiables para moléculas realistas de forma irregular con muchos grados de libertad de rotación. También, ejecutar simulaciones no necesariamente proporciona una comprensión profunda de qué características controlan el comportamiento, "dijo Evans.
Entonces, Reunió la experiencia en el Laboratorio Ames tanto en química teórica como en matemáticas aplicadas para determinar e implementar las mejores herramientas teóricas y de modelado para obtener resultados más confiables y conocimientos más profundos sobre cómo la probabilidad de pasar cae a cero a medida que se reduce el tamaño del canal.
"Fue la combinación integrada de simulaciones intensivas y una teoría analítica novedosa lo que, en conjunto, proporcionó un avance sustancial en nuestra comprensión de estos importantes procesos de paso molecular. Con este tipo de conocimiento, en principio, los sistemas de nanopartículas porosas se pueden optimizar, "dijo Evans.
Los resultados se informaron en Cartas de revisión física .
