Esboço de um nanorreator do tipo casca de gema:os reagentes A e B se difundem através da casca e reagem a C na nanopartícula cataliticamente ativa (amarelo). Crédito:HZB
Físicos teóricos desenvolveram um modelo matemático de duas moléculas diferentes reagindo dentro dos chamados nanorreatores que agem como catalisadores. Eles ganharam novos insights surpreendentes sobre quais fatores promovem reações e como controlá-los e selecioná-los. O modelo é relevante para uma ampla gama de campos de pesquisa, da biofísica aos materiais energéticos.
Nanorreatores são sistemas minúsculos que facilitam reações químicas específicas, como um catalisador. Muitos são encontrados em sistemas biológicos, como certas proteínas. Mas os químicos também são capazes de sintetizar nanorreatores artificiais para controlar as reações químicas. Uma classe importante desses nanorreatores tem uma arquitetura de "gema e casca" como a de um ovo:uma nanopartícula metálica cataliticamente ativa é circundada por uma casca que consiste em uma rede polimérica. Esses tipos de nanorreatores podem criar ambientes isolados para reações específicas e restringi-los ao pequeno espaço dentro da concha.
A descrição matemática oferece novos insights
"Agora descrevemos matematicamente pela primeira vez como duas moléculas diferentes são transportadas para reagir dentro dos nanorreatores. O novo modelo mostra claramente quais fatores favorecem uma determinada reação", diz o Dr. Rafael Roa. Roa é o primeiro autor da publicação em Catálise ACS e um pós-doutorado no grupo liderado pelo Prof. Joe Dzubiella no Instituto HZB de Matéria Suave e Materiais Funcionais.
O que mais importa?
Alguns resultados surpreendem:ao contrário do que se esperava, a taxa de reação não é muito limitada pela concentração das moléculas em solução, mas decisivamente pela permeabilidade da casca do nanorreator. "Isso é extremamente interessante, já que os químicos de hoje muitas vezes podem fazer o ajuste fino ou até mesmo trocar a permeabilidade dessas camadas para moléculas específicas por meio de variações de temperatura ou outros parâmetros", explica o co-autor Dr. Won Kyu Kim.
Os reagentes A e B se difundem através da casca e reagem ao produto C na nanopartícula cataliticamente ativa (amarela) dentro. Crédito:HZB
Foto-ativação levada em consideração
O novo modelo é um grande passo à frente em relação à teoria mais antiga, feita muitas décadas antes, que podia lidar com apenas uma molécula. “Nosso modelo é aplicável à pesquisa de materiais energéticos, e pode até levar em consideração a fotoativação de uma das moléculas da casca pela luz solar ", Dzubiella afirma. Com este trabalho, ele atingiu um dos objetivos do Consolidator Grant do European Research Council (ERC) (2015-2020).
As previsões serão testadas
O grupo de Teoria da Matéria Mole de Dzubiella colabora com o químico HZB Prof. Yan Lu, um reconhecido especialista em nanorreatores sintéticos. Eles estão ansiosos para testar suas previsões teóricas em sistemas reais. "Agora podemos entender melhor o que acontece, e esperamos prever como os efeitos catalíticos desses tipos de nanorreatores podem ser controlados - por meio de ciclos de feedback, por exemplo, que irá interromper ou iniciar a reação à vontade. "
