Cientistas do Laboratório Ames do Departamento de Energia dos EUA desenvolveram uma compreensão mais profunda do projeto ideal para nanopartículas mesoporosas usadas em reações catalíticas, como a conversão de hidrocarbonetos em biocombustíveis. A pesquisa ajudará a determinar o diâmetro ideal dos canais dentro das nanopartículas para maximizar a produção catalítica.
Nanopartículas porosas são minúsculas esferas criadas em laboratório que incorporam canais ou poros paralelos ainda mais minúsculos. Em processos catalíticos, cada canal dentro de uma partícula é alinhado com sítios catalíticos que convertem um reagente em um produto. O que é atraente sobre as nanopartículas porosas é que as paredes dos poros fornecem uma área de superfície significativa para suportar sítios catalíticos dentro de uma esfera super pequena. E, como se poderia esperar, quanto mais poros, quanto mais área de superfície, melhor será a reação catalítica.
"O lado negativo é que, quando os sítios catalíticos estão dentro de poros estreitos, como é o caso das nanopartículas mesoporosas, toda a reação, incluindo o movimento de reagentes e produtos tem que acontecer dentro do canal estreito, "disse Jim Evans, um cientista do Laboratório Ames que liderou a pesquisa. "Assim como qualquer pessoa que se viu tentando se mover em um corredor lotado de mercearia, nem sempre é tão fácil passar por outras pessoas em um espaço muito estreito. "
Então, o projeto ideal para nanopartículas mesoporosas depende do diâmetro dos canais individuais:estreito o suficiente para caber tantos poros em cada partícula quanto possível para maximizar o número de sítios catalíticos - mas amplo o suficiente para produtos catalíticos e reagentes se espremerem facilmente entre si e completar eficientemente a reação. Para determinar este "ponto ideal" para o diâmetro do canal, os cientistas devem entender melhor como as moléculas passam umas pelas outras dentro do canal.
"Em particular, é útil saber com que freqüência um par próximo de moléculas de reagente e produto passa um pelo outro versus com que freqüência eles se separam um do outro. Determinar esta 'probabilidade de passagem' para diâmetros de poros diferentes e várias formas moleculares relevantes ajuda a determinar o quão estreitos os canais podem ser antes que a saída catalítica seja reduzida, "disse Evans.
Evans e seus colaboradores realizaram milhões de testes de simulação para pares de moléculas em forma de esfera e pares de moléculas de forma mais irregular. Isso permitiu a determinação precisa do comportamento da probabilidade de passagem para poros estreitos.
"Contudo, a simulação torna-se exigente e os resultados menos confiáveis para moléculas realistas de forma irregular com muitos graus de liberdade rotacionais. Também, apenas a execução de simulações não fornece necessariamente um entendimento profundo de quais recursos controlam o comportamento, "disse Evans.
Então, ele reuniu experiência no Ames Laboratory em química teórica e matemática aplicada para determinar e implementar as melhores ferramentas teóricas e de modelagem para obter resultados mais confiáveis e percepções mais profundas sobre como a probabilidade de passagem cai para zero conforme o tamanho do canal diminui.
"Foi a combinação integrada de simulações intensivas e nova teoria analítica que, juntas, proporcionaram um avanço substancial em nossa compreensão desses importantes processos de passagem molecular. Com esse tipo de percepção, em princípio, sistemas de nanopartículas porosas podem ser otimizados, "disse Evans.
Os resultados foram relatados em Cartas de revisão física .
