Conversores catalíticos mais eficientes em automóveis, baterias aprimoradas e sensores de gás mais sensíveis são alguns dos benefícios potenciais de um novo sistema que pode medir diretamente a maneira como os nanocristais absorvem e liberam hidrogênio e outros gases.

A tecnica, que foi desenvolvido pela Professora Assistente de Engenharia Química e Biomolecular da Universidade de Vanderbilt, Rizia Bardhan, é descrito em um artigo publicado online em 4 de agosto pela revista Materiais da Natureza .

Nos últimos 30 anos, tem havido uma enorme quantidade de pesquisas estudando nanocristais - cristais minúsculos com tamanhos de um a 100 nanômetros (um nanômetro está em uma polegada o que uma polegada está em 400 milhas) - devido à expectativa de que eles tenham propriedades físicas e químicas únicas que pode ser usado em uma ampla gama de aplicações.

Uma classe de aplicações depende da capacidade dos nanocristais de capturar moléculas e partículas específicas do ar, segure-os e depois libere-os:um processo chamado adsorção e dessorção. O progresso nesta área tem sido prejudicado por limitações nos métodos existentes para medir as mudanças físicas e químicas que ocorrem em nanocristais individuais durante o processo. Como resultado, avanços foram alcançados por tentativa e erro e foram limitados a amostras de engenharia e geometrias específicas.

"Nossa técnica é simples, direciona e usa instrumentos de prateleira para que outros pesquisadores não tenham dificuldade em usá-los, "disse Bardhan. Os colaboradores no desenvolvimento foram o Professor Assistente de Engenharia Mecânica da Vanderbilt Cary Pint, Ali Javey, da Universidade da Califórnia, Berkeley e Lester Hedges, Stephen Whitelam e Jeffrey Urban do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley.

O método é baseado em um procedimento padrão denominado espectroscopia de fluorescência. Um feixe de laser é focado nos nanocristais alvo, fazendo com que eles fiquem fluorescentes. À medida que os nanocristais adsorvem as moléculas de gás, a força de seus escurecimentos fluorescentes e conforme eles liberam as moléculas de gás, ele se recupera.

"O efeito da fluorescência é muito sutil e muito sensível às diferenças no tamanho dos nanocristais, "ela explicou." Para ver isso, você deve usar nanocristais de tamanho uniforme. "Essa é uma razão pela qual o efeito não foi observado antes:técnicas de fabricação, como moagem de bolas e outras abordagens de química úmida que têm sido amplamente utilizadas, produzem nanocristais em uma variedade de tamanhos diferentes. Essas diferenças são suficientes para mascarar o efeito.

Para testar sua técnica, os pesquisadores estudaram a detecção de gás hidrogênio com nanocristais feitos de paládio. Eles escolhem o paládio porque é muito estável e libera prontamente o hidrogênio adsorvido. Eles usaram o hidrogênio pelo interesse em usá-lo como substituto da gasolina. Um dos principais obstáculos técnicos para esse cenário é o desenvolvimento de um método de armazenamento seguro e econômico. Um sistema de hidreto de metal à base de nanocristais é uma das abordagens promissoras em desenvolvimento.

As medições que eles fizeram revelaram que o tamanho dos nanocristais tem um efeito muito mais forte na taxa que o material pode adsorver e liberar hidrogênio e na quantidade de hidrogênio que o material pode absorver do que o esperado - todas propriedades essenciais para um sistema de armazenamento de hidrogênio. Quanto menor o tamanho da partícula, quanto mais rápido o material pode absorver o gás, quanto mais gás ele pode absorver e mais rápido ele pode liberá-lo.

"No passado, as pessoas pensaram que o efeito do tamanho estava limitado a tamanhos menores que 15 a 20 nanômetros, mas descobrimos que se estende por até 100 nanômetros, "disse Bardhan.

Os pesquisadores também determinaram que a taxa de adsorção / dessorção foi determinada por apenas três fatores:pressão, temperatura e tamanho do nanocristal. Eles não descobriram que fatores adicionais, como defeitos e tensão, tiveram um efeito significativo, como sugerido anteriormente. Com base nessas novas informações, eles criaram uma simulação de computador simples que pode prever as taxas de adsorção / dessorção de vários tipos e faixas de tamanho de nanocristais com uma variedade de gases diferentes.

"Isso torna possível otimizar uma ampla gama de aplicações de nanocristais, incluindo sistemas de armazenamento de hidrogênio, conversores catalíticos, baterias, células de combustível e supercapacitores, "Bardhan disse.