Uma equipe de pesquisadores de energia da Universidade de Minnesota e da Universidade de Massachusetts Amherst descobriu que o movimento molecular pode ser previsto com alta precisão ao confinar moléculas em pequenos nanocages. Seu método teórico é adequado para a triagem de milhões de possíveis nanomateriais e pode melhorar a produção de combustíveis e produtos químicos.

A pesquisa é publicada online em ACS Central Science , um importante jornal de acesso aberto da American Chemical Society.

Moléculas no ar são livres para se mover, vibrar e cair, mas confiná-los em pequenos nanotubos ou cavidades e eles perderão muito movimento. A perda total em movimento tem grandes implicações para a capacidade de capturar CO2 do ar, converter moléculas de biomassa em biocombustíveis, ou para separar o gás natural, todos os quais usam nanomateriais com pequenos tubos e poros.

Pesquisadores do Centro de Catálise para Inovação em Energia, com sede na Universidade de Delaware, chegaram à sua descoberta quando pensaram em espremer moléculas em espaços apertados. No ar, as moléculas podem se mover para cima, baixa, e no espaço (três dimensões), mas em um nanotubo não estava claro se as moléculas só podem se mover em uma direção (através do tubo) ou em duas direções (na superfície do tubo). De forma similar, as moléculas podem girar e girar de três maneiras, mas as bordas do tubo podem impedir parte ou todo esse movimento. A quantidade de rotação perdida era a quantidade desconhecida.

"Nossa abordagem foi separar o movimento e rotação molecular do movimento na posição, "disse Omar Abdelrahman, um co-autor do estudo que é professor assistente de engenharia química da Universidade de Massachusetts Amherst e pesquisador do Centro de Catálise para Inovação de Energia. "Descobrimos que todas as moléculas, quando colocadas em nano-gaiolas, perdem a mesma quantidade de movimento na posição, mas a quantidade de rotação e rotação dependia muito da estrutura da nano-gaiola ".

A equipe conectou o movimento molecular à quantidade de entropia, que combina todos os aspectos do movimento molecular em um único número. As moléculas perdem diferentes quantidades de entropia quando acessam o interior de espaços nanoporosos, mas não ficou claro como a estrutura desses nanoespaços impactou a mudança no movimento e a perda de entropia.

"Pode parecer esotérico, mas as mudanças de entropia das moléculas devido às limitações de rotação e movimento na posição dentro dos nanoporos decidem se os nanomateriais funcionarão para milhares de tecnologias de energia e separação, "disse Paul Dauenhauer, um co-autor do estudo que é professor associado de engenharia química e ciência de materiais da Universidade de Minnesota e pesquisador do Catalysis Center for Energy Innovation.

"Se pudermos prever o movimento molecular e a entropia das moléculas, então podemos determinar rapidamente se nanomateriais avançados resolverão nossos desafios de energia mais urgentes, "Dauenhauer acrescentou.

A capacidade de prever a entropia e o movimento molecular está ligada ao recente boom da nanotecnologia. Na década passada, a pesquisa em nanomateriais desenvolveu milhões de novas tecnologias que podem agarrar, separar e reagir hidrocarbonetos do gás natural e da biomassa. Contudo, cada um desses milhares de nanomateriais tem um tamanho e forma diferente, e tem sido muito caro e demorado testar esses nanomateriais avançados um por um.

"Esta descoberta realmente abre a porta para prever quais nanomateriais serão a descoberta do futuro, "disse Dionisios Vlachos, diretor do Catalysis Center for Energy Innovation e professor da University of Delaware. "Nós inventamos mais materiais no computador do que podemos testar, e agora podemos determinar rapidamente no computador se eles funcionarão para nossas necessidades de energia e separação. "

O foco na previsão do movimento molecular em nanomateriais baseia-se no foco do Centro de Catálise para Inovação de Energia no projeto de catalisadores para a conversão de hidrocarbonetos derivados de biomassa em biocombustíveis e bioquímicos. A equipe descobriu recentemente uma nova classe de nanomateriais chamada "SPP" ou "pentasilos auto-pilares, "que são nanomateriais zeólitos para reagir e separar hidrocarbonetos. SPP e outras nanoestruturas também foram os materiais-chave na descoberta de processos químicos para fazer plástico renovável para garrafas de refrigerante e borracha renovável para pneus de automóveis.

A descoberta de uma equação para prever o movimento molecular em nanomateriais faz parte de uma missão maior do Centro de Catálise para Inovação de Energia, um Centro de Pesquisa de Fronteira de Energia-Energia do Departamento dos EUA, liderado pela Universidade de Delaware. Iniciado em 2009, o Centro de Catálise para Inovação de Energia tem se concentrado na tecnologia catalítica de transformação para produzir produtos químicos renováveis ​​e biocombustíveis a partir de biomassa lignocelulósica (não alimentar).