Como uma pessoa interrompendo uma briga de gato, o papel dos catalisadores em uma reação química é apressar o processo - e sair dele intacto. E, assim como nem toda casa em um bairro tem alguém disposto a intervir em tal batalha, nem todas as partes de um catalisador participam da reação. Mas e se alguém pudesse convencer as partes não engajadas de um catalisador a se envolver? As reações químicas podem ocorrer mais rapidamente ou com mais eficiência.

Os cientistas de materiais da Universidade de Stanford liderados por Jennifer Dionne fizeram exatamente isso usando técnicas leves e avançadas de fabricação e caracterização para dotar os catalisadores com novas habilidades.

Em um experimento de prova de conceito, bastões de paládio que tinham aproximadamente 1/200 da largura de um cabelo humano serviam como catalisadores. Os pesquisadores colocaram esses nanobastões acima de nanobares de ouro que focalizam e "esculpem" a luz ao redor do catalisador. Essa luz esculpida mudou as regiões nos nanobastões onde ocorreram as reações químicas - que liberam hidrogênio. Este trabalho, publicado em 14 de janeiro em Ciência, poderia ser um passo inicial em direção a catalisadores mais eficientes, novas formas de transformações catalíticas e potencialmente até mesmo catalisadores capazes de sustentar mais de uma reação ao mesmo tempo.

"Esta pesquisa é uma etapa importante na realização de catalisadores que são otimizados da escala atômica para a escala do reator, "disse Dionne, professor associado de ciência e engenharia de materiais, autor sênior do artigo. "O objetivo é entender como, com a forma e composição adequadas, podemos maximizar a área reativa do catalisador e controlar quais reações estão ocorrendo. "

Um mini lab

Ser simplesmente capaz de observar essa reação exigiu um microscópio excepcional, capaz de criar imagens de um processo químico ativo em uma escala extremamente pequena. "É difícil observar como os catalisadores mudam sob condições de reação porque as nanopartículas são extremamente pequenas, "disse Katherine Sytwu, um ex-aluno de pós-graduação no laboratório Dionne e principal autor do artigo. "As características de escala atômica de um catalisador geralmente ditam onde uma transformação acontece, e por isso é crucial distinguir o que está acontecendo dentro da pequena nanopartícula. "

Para esta reação particular - e as experiências posteriores sobre o controle do catalisador - o microscópio também teve que ser compatível com a introdução de gás e luz na amostra.

Para realizar tudo isso, os pesquisadores usaram um microscópio eletrônico de transmissão ambiental nas Instalações Nano-compartilhadas de Stanford com um acessório especial, anteriormente desenvolvido pelo laboratório Dionne, para introduzir luz. Como o nome sugere, microscópios eletrônicos de transmissão usam elétrons para amostras de imagem, que permite um nível mais alto de ampliação do que um microscópio óptico clássico, e a característica ambiental deste microscópio significa que o gás pode ser adicionado em um ambiente sem ar.

"Você basicamente tem um mini-laboratório onde pode fazer experimentos e visualizar o que está acontecendo em um nível quase atômico, "disse Sytwu.

Sob certas condições de temperatura e pressão, o paládio rico em hidrogênio liberará seus átomos de hidrogênio. Para ver como a luz afetaria essa transformação catalítica padrão, os pesquisadores personalizaram um nanobar de ouro - projetado com equipamentos nas Instalações Nano-Compartilhadas de Stanford e nas Instalações de Nanofabricação de Stanford - para ficar abaixo do paládio e atuar como uma antena, coletar a luz que entra e canalizá-la para o catalisador próximo.

"Primeiro, precisamos entender como esses materiais se transformam naturalmente. Depois, começamos a pensar sobre como poderíamos modificar e realmente controlar como essas nanopartículas mudam, "disse Sytwu.

Sem luz, os pontos mais reativos da desidrogenação são as duas pontas do nanorod. A reação então viaja através do nanorod, liberando hidrogênio ao longo do caminho. Com luz, Contudo, os pesquisadores conseguiram manipular essa reação de modo que ela viajasse do meio para fora ou de uma ponta a outra. Com base na localização do nanobar de ouro e nas condições de iluminação, os pesquisadores conseguiram produzir uma variedade de pontos de acesso alternativos.

Quebra de vínculo e descobertas

Este trabalho é um dos raros exemplos que mostra que é possível ajustar como os catalisadores se comportam mesmo depois de feitos. Ele abre um potencial significativo para aumentar a eficiência no nível de catalisador único. Um único catalisador pode desempenhar o papel de muitos, usar luz para realizar várias das mesmas reações em sua superfície ou potencialmente aumentar o número de locais para as reações. O controle de luz também pode ajudar os cientistas a evitar indesejáveis, reações estranhas que às vezes ocorrem junto com as desejadas. A meta mais ambiciosa de Dionne é um dia desenvolver catalisadores eficientes capazes de quebrar o plástico em um nível molecular e transformá-lo de volta em seu material de origem para reciclagem.

Dionne enfatizou que este trabalho, e o que vier a seguir, não seria possível sem as instalações e recursos compartilhados disponíveis em Stanford. (Esses pesquisadores também usaram o Stanford Research Computing Center para fazer sua análise de dados.) A maioria dos laboratórios não pode se dar ao luxo de ter este equipamento avançado por conta própria, portanto, compartilhá-lo aumenta o acesso e o suporte especializado.

"O que podemos aprender sobre o mundo e como podemos possibilitar o próximo grande avanço é tão criticamente possibilitado por plataformas de pesquisa compartilhadas, "disse Dionne, que também é vice-reitor associado sênior para plataformas de pesquisa / instalações compartilhadas. “Esses espaços não oferecem apenas ferramentas críticas, mas uma comunidade realmente incrível de pesquisadores. "