Nanopartículas podem ser catalisadores potentes. Nanoligas bimetálicas de platina e paládio, por exemplo, pode ajudar a gerar combustível de hidrogênio, promovendo a degradação eletroquímica da água. Identificar a nano-liga mais ativa para tal tarefa, Contudo, permanece um desafio; o desempenho catalítico está diretamente relacionado à estrutura da partícula, e experimentos para estabelecer o arranjo atômico de tais partículas pequenas são difíceis de realizar. A previsão de estruturas de nano ligas estáveis ​​agora é possível usando uma abordagem computacional desenvolvida por Teck Leong Tan no A * STAR Institute of High Performance Computing e seus colegas de trabalho. A técnica também pode identificar maneiras pelas quais a estrutura atômica da nanopartícula pode ser ajustada para melhorar o desempenho catalítico.

O desafio de calcular a estrutura e as propriedades das nano ligas a partir dos primeiros princípios é o poder de processamento computacional que requer, disse Tan. Para seu estudo, ele e seus colegas de trabalho consideraram uma partícula de nano liga de 55 átomos, cada local na estrutura preenchido por um átomo de paládio ou platina. "Existem milhões de configurações de ligas possíveis, então seria computacionalmente intratável fazer uma pesquisa direta usando cálculos de primeiros princípios, "Tan explica.

Para tornar o processo gerenciável, os pesquisadores dividiram conceitualmente a nanopartícula em pequenas subunidades geométricas, ou clusters. A partir dos cálculos do primeiro princípio em um conjunto de cerca de 100 estruturas de ligas diferentes, cada um consistindo em cerca de 30 clusters, eles geraram um modelo confiável de comportamento de liga usando uma abordagem chamada expansão de cluster. A partir deste modelo, eles calcularam as propriedades das nanopartículas inteiras. "O modelo é usado para pesquisar rapidamente através do enorme espaço de configuração para estados de baixa energia, "diz Tan. Esses estados de baixa energia representam as configurações de ligas estáveis ​​que deveriam existir experimentalmente (veja a imagem).

Usando suas estruturas estáveis ​​calculadas, Tan e seus colegas de trabalho então previram como diferentes conformações atômicas afetam o desempenho de uma partícula como catalisador. Como uma reação modelo, os pesquisadores examinaram a reação de evolução do hidrogênio, a geração eletroquímica de gás hidrogênio. Os resultados sugerem que a atividade catalítica das partículas aumentará à medida que mais paládio é adicionado, porque esta liga melhora a ligação do hidrogênio em vários locais de adsorção na superfície das nanopartículas - informações úteis para orientar a síntese de novos nanocatalisadores.

A abordagem deve ser amplamente aplicável para pesquisa de nanopartículas, notas Tan. "O método de expansão de cluster geralmente pode ser aplicado a qualquer sistema de liga onde estruturas e estabilidades são de interesse, ", diz ele. Em seguida, Tan planeja investigar o impacto das moléculas adsorvidas na superfície de um catalisador." A presença de moléculas adsorvidas geralmente leva a mudanças nas estruturas das ligas, alterando assim o desempenho catalítico, " ele diz.