p (Phys.org) —A produção de energia sustentável exige materiais com propriedades físicas e químicas específicas que são controladas pelo tamanho e carga elétrica de pequenas partículas de metal, e cientistas do Pacific Northwest National Laboratory descobriram como controlar com precisão as duas propriedades. Os catalisadores sólidos são normalmente feitos de minúsculos aglomerados de metal dispersos em um material de suporte. Para distribuir de forma mais eficaz os clusters no suporte, uma camada de moléculas "fibrosas" pode ser usada para amarrar os aglomerados à superfície. A equipe do PNNL descobriu que as propriedades dessas cadeias controlam o número de cargas transportadas pelos aglomerados catalíticos dispersos no topo da camada. p "Quando você está desenvolvendo catalisadores, cobrar questões, "disse a Dra. Julia Laskin, um físico químico do PNNL que liderou esta pesquisa. "Precisamos de ferramentas melhores para medir os estados de carga das moléculas catalíticas nas superfícies."

p Catalisadores são materiais complexos projetados para aumentar a eficiência e reduzir o desperdício associado à criação de produtos como combustíveis, plásticos e produtos farmacêuticos. Melhorar os catalisadores pode permitir que combustíveis e outros materiais sejam feitos com menos energia e menos desperdício. Os catalisadores sólidos atuais que atuam em reagentes líquidos ou gasosos são frequentemente compostos de nanopartículas de metal mal definidas dispersas aleatoriamente em materiais de suporte com grandes áreas de superfície. Em contraste, a próxima geração de catalisadores será formulada a partir de conjuntos controlados de mesoescala de aglomerados de metal com propriedades que dependem do número de átomos de metal e do estado de carga. Para montar clusters de metal bem definidos em estruturas de mesoescala para catálise, são necessárias técnicas que forneçam controle preciso sobre o tamanho, estado de carga, e densidade de aglomerados de metal nas superfícies.

p "Nossa abordagem fornece controle átomo por átomo do tamanho e controle elétron por elétron do estado de carga de aglomerados de metal em superfícies, "disse o Dr. Grant Johnson, um físico-químico envolvido no estudo e ex-Linus Pauling Fellow que recentemente ingressou no Laboratório como cientista em tempo integral.

p Ao projetar catalisadores ou outros materiais relacionados à energia, uma abordagem de cozinhar e olhar é freqüentemente usada. Os cientistas pegam materiais e combinações prováveis, aplicar experiência e intuição, e sintetizar os novos materiais necessários. Este processo é caro e demorado. Conhecimento fundamental e controle atomicamente preciso são necessários para projetar racionalmente os materiais que os cientistas desejam. Entre na equipe PNNL.

p A pesquisa vem em duas partes:síntese dos aglomerados de metal e aterramento suave de aglomerados selecionados por tamanho em superfícies. Os clusters usados ​​no estudo são íons positivos triplamente carregados (+3) com menos de 1 nanômetro de diâmetro. Eles contêm exatamente 11 átomos de ouro.

p “O maior desafio não foi a síntese, mas a caracterização - descobrir quantas cargas os aglomerados retêm após serem pousados ​​suavemente nas superfícies, "disse Thomas Priest, um estagiário de graduação que trabalhou no estudo. "É muito emocionante observar como eles são diferentes dependendo das propriedades da superfície." Padre, que foi o segundo autor em dois artigos de periódicos que descrevem pesquisas feitas durante seu estágio, sintetizou as soluções de clusters de ouro. Priest está agora fazendo seu mestrado em engenharia na Universidade de Louisville.

p As superfícies nas quais os aglomerados de ouro foram depositados são uma base de ouro com uma monocamada de moléculas contendo uma cadeia de hidrocarbonetos e terminadas com diferentes grupos funcionais, como -CH ₃ , -CF ₃ ou -COOH. Ao variar o grupo funcional do terminal, a polaridade das moléculas foi ajustada de pouco a extremo. A polaridade das moléculas determina a propensão da monocamada de criar um túnel de elétrons em um determinado potencial.

p O tunelamento de elétrons através da camada tem um forte efeito sobre a carga de íons de aglomerados com carga múltipla aterrados suavemente na superfície. Por exemplo, quando uma monocamada à base de hidrocarboneto levemente polar é usada, os aglomerados de ouro de 3+ pouso macio ganham até três elétrons da superfície, tornando-se assim neutro. Em contraste, na superfície altamente polar à base de flúor, os clusters de ouro mantêm sua carga de 3+, não ganhando elétrons da superfície. As moléculas polares na monocamada introduzem um dipolo de interface, essencialmente uma barreira de carga entre a superfície e o cluster.

p Após esta descoberta, os pesquisadores verificaram se a cobertura da superfície com uma camada mais densa de aglomerados de ouro com múltiplas cargas alterava as cargas dos aglomerados. Do ponto de vista de cobrança, todo o resultado mudou repentinamente. Na superfície à base de flúor nos experimentos anteriores, todos os aglomerados retiveram sua carga +3. Agora, a superfície tinha um centro de aglomerados de ouro com carga +1 e, nas bordas, os clusters eram predominantemente +2 e +3.

p Por quê isso aconteceu?

p "O maior número de aglomerados carregados múltiplos depositados na superfície acumulou um potencial suficiente para permitir que os elétrons da superfície fizessem um túnel para os aglomerados de ouro, reduzindo assim seu estado de carga, "explicou Johnson." Entender como essas barreiras de túneis se rompem dá aos cientistas o conhecimento de que precisam para controlar as cargas de material. "

p Laskin e Johnson estão agora usando esse conhecimento para preparar matrizes de mesoescala especializadas de aglomerados de metal bem definidos em superfícies. Essas matrizes podem ter aplicações em células de combustível, e fontes de energia eficientes.