Usando un nuevo tipo de nano-reactor, investigadores de la Universidad Tecnológica de Chalmers, Suecia, han mapeado reacciones catalíticas en nanopartículas metálicas individuales. Su trabajo podría mejorar los procesos químicos, y conducir a mejores catalizadores y tecnología química más respetuosa con el medio ambiente. Los resultados se publican en la revista Comunicaciones de la naturaleza .

Los catalizadores aumentan la velocidad de las reacciones químicas. Desempeñan un papel vital en muchos procesos industriales importantes, incluida la fabricación de combustibles y medicamentos, y limitar las emisiones nocivas de los vehículos. También son bloques de construcción esenciales para nuevas tecnologías sostenibles como las pilas de combustible que generan electricidad a través de una reacción entre el oxígeno y el hidrógeno. Los catalizadores también pueden contribuir a descomponer las toxinas ambientales al limpiar los químicos venenosos del agua, por ejemplo.

Para diseñar catalizadores más efectivos para el futuro, se necesitan conocimientos fundamentales, como comprender la catálisis a nivel de partículas catalíticas activas individuales.

Para visualizar la dificultad de comprender las reacciones catalíticas en la actualidad, imagina una multitud en un partido de fútbol, donde varios espectadores encienden bengalas. El humo se esparce rápidamente, y una vez que se forma una nube de humo sobre la multitud, es casi imposible decir quién encendió realmente las bengalas, o cuán poderosamente arde cada uno. Las reacciones químicas en la catálisis se producen de forma comparable. Están involucradas millones de partículas individuales, y actualmente es muy difícil rastrear y determinar los roles de cada uno en específico, incluyendo cuán efectivos son y cuánto ha contribuido cada uno a la reacción.

Por tanto, es necesario investigar el proceso catalítico a nivel de nanopartículas individuales. El nuevo nano-reactor ha permitido a los investigadores de Chalmers hacer esto. El reactor consta de alrededor de 50 nanotúneles de vidrio llenos de líquido y dispuestos en paralelo. En cada túnel los investigadores colocaron una sola nanopartícula de oro. Aunque son de tamaño similar, cada nanopartícula tiene cualidades catalíticas variadas; algunas son altamente efectivas, otros decididamente menos óptimos. Para poder discernir cómo el tamaño y la nanoestructura influyen en la catálisis, los investigadores midieron la catálisis en las partículas individualmente.

"Enviamos a los nanotúneles dos tipos de moléculas que reaccionan entre sí. Un tipo de molécula es fluorescente y emite luz. La luz solo se extingue cuando se encuentra con un compañero del segundo tipo en la superficie de las nanopartículas, y se produce una reacción química entre las moléculas. Observar esta extinción de la 'luz al final del nanotúnel' aguas abajo de las nanopartículas nos permitió rastrear y medir la eficiencia de cada nanopartícula para catalizar la reacción química, "dice Sune Levin, estudiante de doctorado en el Departamento de Biología y Biotecnología de la Universidad Tecnológica de Chalmers, y autor principal del artículo científico.

Realizó los experimentos bajo la supervisión de los profesores Fredrik Westerlund y Christoph Langhammer. El nuevo nanoreactor es el resultado de una amplia colaboración entre investigadores de varios departamentos diferentes de Chalmers.

"La catálisis eficaz es esencial tanto para la síntesis como para la descomposición de sustancias químicas. Por ejemplo, los catalizadores son necesarios para la fabricación de plásticos, medicinas y combustibles de la mejor manera, y descomponer eficazmente las toxinas ambientales, "dice Fredrik Westerlund, Profesor del Departamento de Biología y Biotecnología de Chalmers.

El desarrollo de mejores materiales catalizadores es necesario para un futuro sostenible y se pueden lograr grandes beneficios sociales y económicos.

"Si las nanopartículas catalíticas pudieran refinarse de manera óptima, la sociedad podría obtener enormes beneficios. En la industria química, por ejemplo, hacer que ciertos procesos sean solo un pequeño porcentaje más efectivos podría traducirse en un aumento significativo de los ingresos, así como los impactos ambientales drásticamente reducidos, "dice el líder del proyecto de investigación Christoph Langhammer, Profesor del Departamento de Física de Chalmers.