Ao examinar minúsculas partículas de ouro com poderosos feixes de raios-X, os cientistas esperam poder aprender a reduzir as emissões prejudiciais de monóxido de carbono dos veículos motorizados.

O monóxido de carbono é incolor, gás inodoro e perigoso produzido por carros, caminhões e outros veículos que queimam combustíveis fósseis. Os sistemas de exaustão usam um conversor catalítico para transformar esse monóxido de carbono em dióxido de carbono não tóxico, mas de acordo com a Agência de Proteção Ambiental dos EUA, veículos movidos a combustível são a maior fonte de emissões de monóxido de carbono na atmosfera, aumentando a abundância de gases de efeito estufa no ar.

Cientistas de todo o mundo estão trabalhando para reduzir essas emissões, e uma maneira de fazer isso é aprender mais sobre as reações químicas que ocorrem dentro do sistema de exaustão. Essas reações costumam usar ouro como catalisador. Embora grandes quantidades de ouro sejam inertes, minúsculas partículas dele são um catalisador ativo na oxidação do monóxido de carbono, uma reação que o transforma em dióxido de carbono.

Aline Passos e Florian Meneau estudam essa reação há anos. Ambos trabalham no Laboratório Brasileiro de Luz Síncrotron (LNLS), Passos como químico e Meneau como físico. Juntos, eles lideram uma equipe de pesquisa que recentemente usou os raios-X ultrabright da Advanced Photon Source (APS), um Departamento de Energia dos EUA (DOE) Office of Science User Facility no Argonne National Laboratory do DOE, para iluminar minúsculas partículas de ouro ao catalisar uma reação semelhante à que ocorre dentro do escapamento de um carro. Os resultados desta pesquisa foram publicados em Nature Communications .

"Se pudermos entender melhor como funciona essa catálise, podemos otimizá-lo e melhorá-lo, "Passos disse." Se pudermos projetar melhor os catalisadores, podemos controlar ou limitar o monóxido de carbono. "

As propriedades desta reação são bem conhecidas, Passos e Meneau disseram, mas estudar a reação de uma única pequena partícula de ouro à medida que sofre essa reação é um novo território científico, e só possível devido à tecnologia disponível na APS.

Para conduzir este experimento, Passos sintetizou nanopartículas de ouro, cerca de 60 nanômetros de diâmetro. (Para escala, uma folha de papel tem cerca de 100, 000 nanômetros de espessura.) Ela os construiu em duas formas, esferas e cubos, e introduziu alguns defeitos químicos em algumas das partículas, mudando ligeiramente a estrutura atômica para ver se isso afetou a maneira como eles catalisaram a reação.

"Os átomos em diferentes posições mudam, e eles mudam as propriedades eletrônicas e químicas, "Meneau disse." É bem sabido como fazer isso. Mas antes só tínhamos sido capazes de examinar o estágio de catálise. Não fomos capazes de observar o que muda dentro de uma única partícula durante a reação. "

Para conseguir isso, a equipe brasileira então trouxe essas partículas para a linha de luz 34-ID-C na APS, que se especializa no que é chamado de experimentos de imagem "in situ". Isso significa que os feixes de raios-X APS podem ser usados ​​para tirar fotos de amostras enquanto estão passando por reações - mudanças de temperatura, por exemplo, ou aumento da pressão - em tempo real. Nesse caso, os cientistas usaram as nanopartículas de ouro para oxidar o monóxido de carbono e capturaram as mudanças na estrutura cristalina das partículas enquanto a reação acontecia.

Wonsuk Cha, um físico assistente da Divisão de Ciência de Raios-X de Argonne (XSD) e um co-autor do artigo, vem trabalhando há anos em experimentos in situ nesta linha de luz. O desafio, ele diz, vem desenvolvendo câmaras para os experimentos compatíveis com a técnica de imagem.

"Um dos desafios é o pequeno tamanho das amostras com que trabalhamos, "disse ele." O tamanho do feixe é normalmente de 500 nanômetros de largura, e aperfeiçoamos técnicas para monitorar a posição da amostra dentro do feixe, o que permite que a experiência continue. "

A técnica usada neste experimento é chamada de imagem de difração de raios-X coerente (CDI), e Ross Harder, um físico com XSD, tem sido o principal desenvolvedor de instrumentação para essa técnica em Argonne desde 2008. Para experimentos de CDI, o feixe de raios-X difrata da amostra e projeta um padrão de informações em um detector, e algoritmos de computador são então usados ​​para interpretar essas informações e construir uma imagem a partir delas.

"Podemos ver imagens em nanoescala que não podemos ver com uma luz normal, "Harder disse." Há apenas um punhado de fontes de luz no mundo capaz de fazer este experimento. "

O resultado, Meneau disse, é uma nova imagem da maneira como essas nanopartículas experimentam reações catalíticas. A imagem que surgiu é um mapa da deformação na partícula - uma medida da mudança de forma quando a amostra é submetida a tensão - para os cantos e bordas, mostrando que essas partes das nanopartículas estão mais envolvidas na catálise.

Os dados também mostram que a cepa pode ser afetada por mudanças químicas induzidas, e que nanopartículas de formato e tamanho idênticos não experimentam essa reação da mesma maneira. Isso significa que a própria reação pode ser potencialmente alterada em um nível químico, alterando o catalisador.

Embora as amostras do tamanho usado neste experimento possam parecer pequenas, o tamanho típico de um catalisador de ouro em aplicações industriais é de cinco nanômetros de espessura, aproximadamente a largura de duas fitas de DNA humano. Passos e Meneau disseram que o próximo passo de suas pesquisas é reduzi-la, com o objetivo de capturar a reação catalítica em amostras cada vez menores.

Um grande projeto de atualização em andamento na APS permitirá essa redução, eles disseram, assim como a nova fonte de luz no LNLS, Sírius, que está programado para entrar online em 2021. A atualização do APS aumentará o brilho e o fluxo coerente de 100 para 1, 000 vezes em comparação com o APS atual, que irá melhorar a qualidade das imagens de difração.

"Sessenta nanômetros é muito grande para a indústria, "Meneau disse, "mas a atualização do APS nos permitirá investigar amostras menores. As novas máquinas podem fazer isso."