p (Phys.org) - Às vezes, grandes mudanças vêm de pequenos começos. Isso é especialmente verdadeiro na pesquisa de Anatoly Frenkel, um professor de física na Yeshiva University, que está trabalhando para reinventar a maneira como usamos e produzimos energia, desbloqueando o potencial de algumas das estruturas mais ínfimas do mundo:as nanopartículas. p "A nanopartícula é a menor unidade na maioria dos novos materiais, e todas as suas propriedades estão ligadas de uma forma ou de outra à sua estrutura, "disse Frenkel." Se pudermos entender essa conexão, podemos obter muito mais informações sobre como ele pode ser usado para catálise, energia, e outros propósitos. "

p Às vezes, grandes mudanças vêm de pequenos começos. Isso é especialmente verdadeiro na pesquisa de Anatoly Frenkel, um professor de física na Yeshiva University, que está trabalhando para reinventar a maneira como usamos e produzimos energia, desbloqueando o potencial de algumas das estruturas mais ínfimas do mundo:as nanopartículas.

p "A nanopartícula é a menor unidade na maioria dos novos materiais, e todas as suas propriedades estão ligadas de uma forma ou de outra à sua estrutura, "disse Frenkel." Se pudermos entender essa conexão, podemos obter muito mais informações sobre como ele pode ser usado para catálise, energia, e outros propósitos. "

p Frenkel está colaborando com o cientista de materiais Eric Stach e outros do Laboratório Nacional de Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA para desenvolver novas maneiras de estudar como as nanopartículas se comportam em catalisadores - os "impulsionadores" de reações químicas que convertem combustíveis em formas utilizáveis ​​de energia e transformam matérias-primas para produtos industriais.

p "Estamos desenvolvendo um novo 'micro-reator' que nos permite explorar muitos aspectos da função catalítica usando várias abordagens na Fonte de Luz Síncrotron Nacional (NSLS) de Brookhaven, o NSLS-II prestes a ser concluído, e o Centro de Nanomateriais Funcionais (CFN), "disse Stach, que trabalha no CFN. "Esta abordagem nos permite entender vários aspectos de como os catalisadores funcionam para que possamos ajustar seu design para melhorar sua função. Este trabalho pode levar a grandes ganhos em eficiência energética e economia de custos para processos industriais."

p Ferramentas de alta tecnologia para a ciência

p Até agora, os métodos para compreender as propriedades catalíticas só podem ser usados ​​um de cada vez, com o catalisador terminando em um estado diferente para cada um dos experimentos. Isso dificultou a comparação das informações obtidas com os diferentes instrumentos. O novo micro-reator empregará várias técnicas - microscopia, espectroscopia, e difração - para examinar diferentes propriedades de catalisadores simultaneamente sob condições operacionais. Ao manter as partículas no mesmo estado estrutural e dinâmico sob as mesmas condições de reação, o micro-reator dará aos cientistas uma noção muito melhor de como eles funcionam.

p "Esses desenvolvimentos resultaram da combinação de instalações exclusivas disponíveis em Brookhaven, "disse Frenkel." Trabalhando junto com Eric, percebemos que havia uma maneira de fazer os métodos de raios-x e os baseados em elétrons funcionarem de uma forma verdadeiramente complementar.

p Cada técnica tem pontos fortes, Stach explicou. "No NSLS, usando poderosos feixes de raios-x, podemos dizer como todo o grupo de nanopartículas se comporta, enquanto a microscopia eletrônica do CFN nos permite ver a estrutura atômica de cada nanopartícula. Tendo essas duas visões dos catalisadores, podemos entender mais claramente a relação entre a estrutura e a função do catalisador. "

p Disse Frenkel, "Foi muito gratificante para nós conduzir os primeiros testes com o reator em cada instalação e receber resultados positivos. Sou particularmente grato a Ryan Tappero, o cientista que dirige a linha de luz NSLS X27A, por sua ajuda especializada na aquisição de dados de raios-x. "

p Frenkel tem uma colaboração contínua com cientistas de Brookhaven. Ano passado, com o associado de pesquisa de pós-doutorado Qi Wang, Frenkel e Stach mediram as propriedades das nanopartículas usando os raios-x produzidos pelo NSLS, bem como imagens em escala atômica com elétrons no CFN. Conforme relatado em um artigo publicado no Jornal da American Chemical Society no início deste ano, eles descobriram que, em vez de mudar completamente de um estado para outro em uma determinada temperatura e tamanho, como se acreditava anteriormente, existe uma zona de transição entre estados quando as partículas estão mudando de forma.

p "Isso é fundamentalmente significativo porque, até agora, as estruturas eram conhecidas por simplesmente mudarem de uma forma para outra - elas nunca foram concebidas para coexistir em diferentes formas, "Frenkel disse." Com nossas informações, podemos explicar por que os catalisadores geralmente não funcionam como esperado e como melhorá-los. "

p Treinamento para jovens cientistas

p A colaboração também oferece oportunidades para os alunos vivenciarem os desafios da pesquisa, dando-lhes acesso às ferramentas de classe mundial em Brookhaven. Os alunos de graduação de Frenkel no Stern College for Women da Yeshiva University ajudam nas medições, análise de dados, e interpretação, e muitos já o acompanharam a Brookhaven para ajudá-lo em seu trabalho usando NSLS e outros instrumentos de ponta.

p "Estou dando a eles uma experiência em primeira mão sobre como é a vida de um pesquisador desde o início, enquanto conduzem pesquisas de primeira linha, "disse Frenkel." Esta experiência abre as portas para qualquer campo que eles queiram estar. "

p Alyssa Lerner, um graduado em pré-engenharia que tem trabalhado com Frenkel em Brookhaven, disse que a pesquisa "me ajudou a desenvolver habilidades como análise computacional e pensamento crítico, que são essenciais em qualquer campo científico. A experiência prática experimental me deu uma melhor compreensão de como a comunidade científica opera, ajudando-me a fazer escolhas mais informadas relacionadas à carreira, à medida que continuo avançando em minha educação. "

p Reunir alunos e mentores para promover a educação e fazer uso de técnicas de imagem complementares para aumentar a eficiência energética - apenas dois dos resultados positivos desta colaboração bem-sucedida.

p "Ao reunir várias técnicas complementares para iluminar o mesmo processo, vamos entender como funcionam os nanomateriais, "Frenkel disse." Em última análise, esta pesquisa criará uma maneira melhor de usar, armazenamento, e conversão de energia. "