Los catalizadores químicos son los agentes de cambio detrás de la producción de casi todo lo que usamos en nuestra vida diaria. desde plásticos hasta medicamentos recetados. Cuando los catalizadores correctos se mezclan con los compuestos químicos correctos, moléculas que, de otro modo, tardarían años en interactuar, lo hacen en cuestión de segundos.

Sin embargo, desarrollar incluso un material catalizador para activar esta coreografía precisa de átomos puede llevar meses, años pares, cuando se utilizan procedimientos tradicionales de química húmeda que utilizan solo reacciones químicas, a menudo en la fase líquida, para cultivar nanopartículas.

Los investigadores de la Universidad de Rochester dicen que hay una manera de acortar ese proceso drásticamente, utilizando en su lugar láseres pulsados ​​en líquidos para crear rápidamente sintonizados cuidadosamente, matrices sistemáticas de nanopartículas que se pueden comparar y probar fácilmente para su uso como catalizadores.

El proceso se describe en un Reseñas de productos químicos artículo de Astrid Müller, profesora asistente de ingeniería química en la Universidad de Rochester que ha adaptado la técnica para su trabajo sobre soluciones energéticas sostenibles. Tres Ph.D. estudiantes en su laboratorio:los coautores Ryland Forsythe, Connor Cox, y Madeleine Wilsey:llevaron a cabo una revisión exhaustiva de casi 600 artículos anteriores que implicaban el uso de láseres pulsados ​​en líquidos. Como resultado, su artículo es el más completo, estudio actualizado de una tecnología que se desarrolló por primera vez en 1987.

Láseres pulsados ​​en líquidos, una 'herramienta indispensable' para descubrir catalizadores

Entonces, ¿cómo funciona la síntesis de láser pulsado en líquido?

• Un láser pulsado se dirige a un material sólido sumergido en líquido. Esto crea una temperatura alta, plasma de alta presión cerca de la superficie del sólido.
• A medida que el plasma se desintegra, vaporiza moléculas en el líquido circundante, conduciendo a una burbuja de cavitación. Dentro de la burbuja Las reacciones químicas comienzan a ocurrir entre las partículas del líquido y las partículas que fueron eliminadas. o suelto, del sólido.
• Después de expansiones y contracciones periódicas, la burbuja de cavitación implosiona violentamente, provocando ondas de choque y enfriamiento rápido. Las nanopartículas de la burbuja se condensan en pequeños grupos que se inyectan en el líquido circundante y se vuelven estables.

La técnica de láser pulsado en líquidos ofrece múltiples ventajas sobre la síntesis tradicional de nanomateriales en laboratorio húmedo. Según Müller:

• Debido a que las reacciones se limitan principalmente dentro de la burbuja de cavitación, las nanopartículas resultantes tienen propiedades notablemente uniformes. "Cada partícula que se crea se crea en las mismas condiciones, " ella dice.
• Las propiedades de las nanopartículas se pueden ajustar fácilmente ajustando los pulsos de láser y las composiciones químicas del sólido y el fluido circundante.
• Los nanocatalizadores hechos con láser son intrínsecamente más activos que los obtenidos por métodos de química húmeda.
• Se pueden producir fácilmente nanomateriales metaestables con estructuras y composiciones que no están en equilibrio. Dichos materiales no se pueden fabricar a temperaturas y presiones moderadas.
• La síntesis láser se puede controlar de forma remota, aumentando el potencial para aplicaciones industriales a gran escala.

La síntesis de nanomateriales mediante láser pulsado en líquidos también es mucho más rápida que los métodos tradicionales. La técnica puede preparar cantidades a granel de una nanopartícula en una hora o menos. Se pueden hacer arreglos sistemáticos de 70 materiales en una semana.

"Estas ventajas lo convierten en una herramienta indispensable para el descubrimiento, "dice Müller, cuyos antecedentes incluyen el trabajo en láseres, materiales y electrocatálisis. "A menudo hay personas que conocen los láseres y los materiales, o quizás electrocatálisis y materiales, pero es muy raro encontrar a alguien con experiencia en los tres ".

Ella dice, "Esto es lo que nos impulsó a escribir este artículo, porque el grupo Müller puede aunar las perspectivas de los tres campos ".

Cómo los catalizadores pueden combatir el cambio climático

Mientras trabajaba como científico de planta en Caltech, Müller fue pionero en una adaptación de la técnica del láser en líquidos para preparar electrocatalizadores no preciosos que separan el agua y liberan oxígeno del agua para producir hidrógeno limpio. En Rochester, el grupo Müller amplía su experiencia para estudiar los electrocatalizadores hechos con láser como una forma de convertir el dióxido de carbono (CO ₂ ) en un ciclo cerrado de combustibles líquidos útiles, como metanol o etanol.

"Si volviera a quemar estos combustibles, tu haces CO ₂ de nuevo, así que das vueltas y vueltas. El carbono siempre permanece dentro del ciclo, y no contribuye a más cambio climático, ", Dice Müller." Para que eso funcione, necesitamos catalizadores, y nadie sabe todavía cuáles serían esos catalizadores, qué funcionaría y por qué, y por qué otros catalizadores no funcionan ".

De ahí su interés en utilizar la síntesis de láser pulsado en líquido para acelerar el proceso. "Es muy importante porque no podemos simplemente sentarnos y esperar lo mejor con el cambio climático; necesitamos trabajar en tecnologías sucesoras ahora, " ella dice.

Hasta aquí, La síntesis de láser pulsado en líquido sólo ha tenido un uso comercial limitado. El costo inicial de invertir en tecnología láser es un obstáculo para muchas empresas, Müller dice. "Pero eso cambiará a medida que este método obtenga cada vez más tracción, " Ella cree.

Gracias al laboratorio de Müller, La síntesis de láser pulsado en líquidos ciertamente está recibiendo más atención. Dentro de tres semanas, su artículo se había convertido en un catalizador propio al descargarse más de 1, 500 veces.