Mude a aparência das nanopartículas e você dominará a química! Dependendo da iluminação, as superfícies de nanopartículas fabricadas de maneira apropriada podem mudar sua topografia. Pesquisadores do Instituto de Físico-Química da Academia Polonesa de Ciências mostraram que o mecanismo molecular que eles projetaram torna possível descobrir ou ocultar efetivamente moléculas de catalisador usando a luz. A técnica que eles apresentam leva a possibilidades qualitativamente novas de controlar o curso das reações químicas.

Usando nanopartículas com superfícies que mudam de aparência sob a influência da luz, é possível controlar fácil e precisamente o curso de praticamente qualquer reação química catalítica, incluindo aqueles com muitos estágios. Um elemento-chave da nova técnica, desenvolvido e demonstrado por pesquisadores do Instituto de Físico-Química da Academia Polonesa de Ciências (IPC PAS) em Varsóvia, é o mecanismo de mascaramento geométrico dos centros do catalisador ativo nas superfícies das nanopartículas. Esta classe de novos, materiais inteligentes feitos de matéria macia e dura, descrito na prestigiosa revista química Catálise ACS , anuncia uma mudança qualitativa no campo das reações catalíticas industriais e é um estágio importante no projeto de sistemas químicos que imitam as características mais importantes dos organismos vivos.

Um catalisador é uma substância que causa uma reação entre compostos químicos específicos, participando ativamente dele e revertendo em grande parte ao seu estado original após sua conclusão. Hoje em dia, os catalisadores são geralmente projetados para otimizar as reações catalisadas e reduzir o consumo de catalisador. Atenção, entre outros, à sua seletividade, isso é, sua capacidade de acelerar um, reação precisamente escolhida. Contudo, não há grande controle sobre os catalisadores construídos dessa maneira. Após a introdução na solução, geralmente atuam imediatamente até que a reação pare.

Uma das ferramentas mais convenientes que podem ser usadas para influenciar compostos químicos em soluções são ondas de luz com energias adequadas às propriedades do sistema específico. A luz pode ser facilmente introduzida em todo o volume do líquido, e em geral não interfere com o curso das próprias reações catalíticas. Agora, Acontece que o sistema químico pode ser projetado de forma que, dependendo da iluminação, ele catalisa ou não várias reações químicas.

O conceito de controle de luz da atividade do catalisador, proposto pelos químicos do IPC PAS, é mais facilmente compreendido fazendo uma analogia com os girassóis. Estas são plantas com longos, hastes rígidas, no final do qual há uma cesta pesada com sementes. Durante o dia, a cabeça do girassol está sempre voltada para a luz, isso é, para cima - permitindo que atraia insetos e pássaros. Quando a noite cai, Contudo, a cabeça não se enrola como as outras flores. Em sua base, a haste apenas dobra, o cesto cai e toda a inflorescência deixa de estar acessível.

"Nosso complexo molecular chave se comporta como girassóis, apenas em escala molecular. O solo em que nossos 'girassóis' crescem é a nanopartícula de ouro, a haste - uma longa molécula de ligante orgânico, o fragmento dobrado - um interruptor fotográfico que muda de forma sob a influência da luz. A cesta é o próprio catalisador. A única diferença é que os nossos 'girassóis' são um pouco ... tímidos. Escondem as suas cabeças catalíticas quando fica claro à sua volta e os erguem quando está escuro, "explica o Dr. Volodymyr Sashuk (IPC PAS).

Nos últimos anos, cientistas do IPC PAS não desenvolveram apenas o conceito de um método inovador de controle da catálise, mas também testei na prática, construindo um verdadeiro, sistema químico modelo. Foi construído com nanopartículas de ouro com dimensões de três nanômetros e um dos catalisadores mais simples:um aminoácido chamado prolina. O método em si, Contudo, não impõe nenhuma restrição específica, então, potencialmente, qualquer outro catalisador pode ser usado, transformando-o funcionalmente em uma variante cuja atividade é controlada por meio da luz.

"A produção de nanopartículas revestidas com ligantes com partículas de catalisador anexadas não é particularmente difícil, sim, Contudo, requer algum cuidado e atenção. Por exemplo, as proporções entre o número de ligantes com uma molécula de catalisador e o número de ligantes sem ela são importantes. Se houver muitos ligantes vazios, as moléculas do catalisador não terão onde se esconder fisicamente, e podemos esquecer o controle, "diz a estudante de doutorado Magdalena Szewczyk (IPC PAS).

Nanopartículas de luz controlada que catalisam reações químicas prometem uma nova fase no desenvolvimento da catálise. Até agora, as reações catalíticas foram tipicamente realizadas em uma solução contendo os substratos necessários e um único catalisador. Agora, novas oportunidades estão surgindo. Potencialmente, a mesma solução pode conter substratos para reações catalíticas de múltiplos estágios e uma gama de catalisadores, cada um ativado com luz em momentos apropriados. Como resultado, várias reações de componentes que produzem os produtos químicos necessários em estágios posteriores de um processo tecnológico, em que a nova reação seria desencadeada depois que as reações anteriores fossem interrompidas, pode ocorrer em um navio de cada vez. Mas essas não são as únicas vantagens da nova solução.

"Até agora, após a reação, os químicos ficaram com uma solução contendo o produto e o catalisador. A remoção deste último estava frequentemente associada à necessidade de desenvolver etapas tecnológicas adicionais. Em nosso método, o catalisador é depositado em nanopartículas. Potencialmente, essas partículas podem ser ajustadas para que reajam, por exemplo, a um campo magnético. Depois de completar a reação, seria suficiente atrair as nanopartículas para o fundo do vaso, onde eles podem ser facilmente separados do próprio produto, "observa o aluno de doutorado Grzegorz Sobczak (IPC PAS).

O futuro do multiestágio, catálise precisamente controlada por luz promete ser interessante. A nova geração de misturas de múltiplos componentes poderia, por exemplo, endurecer apenas na demanda do usuário, então seria possível preencher todos os tipos de moldes, até mesmo formas muito complexas, mais precisamente. Uma solução popular provavelmente serão os adesivos de polímero multicomponentes convenientes, imediatamente entregue em uma mistura, pronto para espalhar a forma. Estas são apenas algumas das ideias que estão sendo consideradas hoje. Os pesquisadores do IPC PAS ainda estão em busca de ideias sobre como seu conceito pode se traduzir em aplicações específicas.