Los puntos importan al diseñar nanopartículas que impulsan reacciones químicas importantes utilizando el poder de la luz.

Los investigadores del Laboratorio de Nanofotónica (LANP) de la Universidad de Rice saben desde hace mucho tiempo que la forma de una nanopartícula afecta la forma en que interactúa con la luz, y su último estudio muestra cómo la forma afecta la capacidad de una partícula para usar la luz para catalizar reacciones químicas importantes.

En un estudio comparativo, Los estudiantes graduados de LANP Lin Yuan y Minhan Lou y sus colegas estudiaron nanopartículas de aluminio con propiedades ópticas idénticas pero formas diferentes. El más redondeado tenía 14 lados y 24 puntas romas. Otro tenía forma de cubo, con seis lados y ocho esquinas de 90 grados. El tercero, que el equipo denominó "octópodo, "también tenía seis lados, pero cada una de sus ocho esquinas terminaba en una punta puntiaguda.

Las tres variedades tienen la capacidad de capturar energía de la luz y liberarla periódicamente en forma de electrones calientes súper energéticos que pueden acelerar las reacciones catalíticas. Yuan, químico del grupo de investigación de la directora de LANP, Naomi Halas, realizaron experimentos para ver qué tan bien se desempeñaban cada una de las partículas como fotocatalizadores para la reacción de disociación de hidrógeno. Las pruebas mostraron que los octópodos tenían una velocidad de reacción 10 veces mayor que los nanocristales de 14 lados y cinco veces mayor que los nanocubos. Los octópodos también tenían una energía de activación aparente más baja, aproximadamente un 45% más bajo que los nanocubos y un 49% más bajo que los nanocristales.

"Los experimentos demostraron que las esquinas más afiladas aumentaban la eficiencia, "dijo Yuan, coautor principal del estudio, que se publica en la revista American Chemical Society ACS Nano. "Para los octópodos, el ángulo de las esquinas es de unos 60 grados, en comparación con los 90 grados de los cubos y los puntos más redondeados de los nanocristales. Entonces, cuanto menor sea el ángulo, cuanto mayor sea el aumento de la eficacia de la reacción. Pero lo pequeño que puede ser el ángulo está limitado por la síntesis química. Estos son monocristales que prefieren ciertas estructuras. No se puede hacer infinitamente más nitidez ".

Lou físico y coautor principal del estudio en el grupo de investigación de Peter Nordlander de LANP, verificó los resultados de los experimentos catalíticos mediante el desarrollo de un modelo teórico del proceso de transferencia de energía de electrones calientes entre las nanopartículas de aluminio activadas por luz y las moléculas de hidrógeno.

"Introducimos la longitud de onda de la luz y la forma de las partículas, "Lou dijo." Usando estos dos aspectos, podemos predecir con precisión qué forma producirá el mejor catalizador ".

El trabajo es parte de un esfuerzo de química verde en curso por LANP para desarrollar nanocatalizadores activados por luz comercialmente viables que pueden insertar energía en reacciones químicas con precisión quirúrgica. LANP ha demostrado previamente catalizadores para la producción de etileno y gas de síntesis, la división del amoníaco para producir hidrógeno como combustible y para descomponer "sustancias químicas permanentes".

"Este estudio muestra que la forma del fotocatalizador es otro elemento de diseño que los ingenieros pueden utilizar para crear fotocatalizadores con mayores velocidades de reacción y menores barreras de activación". "dijo Halas, Profesor Stanley C.Moore de Rice de Ingeniería Eléctrica e Informática, director del Instituto Smalley-Curl de Rice y profesor de química, bioingeniería, física y astronomía, y ciencia de materiales y nanoingeniería.