p Defeitos e superfícies irregulares nas bordas das partículas nanométricas de platina e ouro são pontos chave para a reatividade química, uma equipe de pesquisadores trabalhando no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Berkeley Lab) e na Universidade Hebraica de Jerusalém, em Israel, confirmou com uma única sonda infravermelha. p Experimentos como esse devem ajudar os pesquisadores a customizar as propriedades estruturais dos catalisadores para torná-los mais eficazes na promoção de reações químicas.

p O estudo, publicado em 11 de janeiro em Natureza , é um passo importante na crônica de como a estrutura atômica das nanopartículas impacta sua função como catalisadores em reações químicas. Catalisadores, que desempenham um papel na produção de muitos produtos industriais, como fertilizantes, combustível, e plásticos, são materiais que podem acelerar as reações químicas e torná-los mais eficientes, enquanto permanecem inalterados no processo.

p Os cientistas sabem que os materiais podem se comportar de maneira diferente em nanoescala do que em grandes quantidades, e que personalizar seu tamanho e forma pode melhorar suas propriedades para usos específicos. Esta nova técnica localizou as áreas em partículas metálicas individuais - que medem cerca de 100 nanômetros - são mais ativas em reações químicas.

p Os pesquisadores combinaram um amplo espectro de luz infravermelha, produzido por Advanced Light Source (ALS) do Berkeley Lab, com um microscópio de força atômica para revelar diferentes níveis de reatividade química nas bordas de nanopartículas únicas de platina e ouro em comparação com suas lisas, superfícies planas.

p Eles usaram uma capacidade única na ALS, apelidado de SINS (para nanospectroscopia infravermelha baseada em radiação síncrotron), para explorar a química detalhada que ocorre na superfície das partículas, e alcançou resolução de até 25 nanômetros.

p "Isso permite que você veja toda essa interação na química, "disse Michael Martin, um cientista sênior da equipe responsável pelas linhas de luz infravermelho no ALS. "Isso é o que torna isso especial."

p Hans Bechtel, um cientista pesquisador do Berkeley Lab que trabalha nas linhas de luz infravermelho ALS, adicionado, "Você pode ver simultaneamente os reagentes e os produtos formados nas reações."

p No experimento, Os pesquisadores revestiram as partículas metálicas com uma camada de moléculas reativas e focalizaram a luz infravermelha produzida por ALS na ponta minúscula (25 nanômetros de diâmetro) do microscópio de força atômica.

p A ponta do microscópio, quando acoplado com a luz infravermelha altamente focada, funcionou como uma antena extremamente sensível para mapear a estrutura da superfície de nanopartículas individuais, ao mesmo tempo que revelava sua química de superfície detalhada.

p "Pudemos ver a impressão digital exata das moléculas na superfície das partículas e validar uma hipótese bem conhecida no campo da catálise, "disse Elad Gross, um membro do corpo docente do Instituto de Química e do Centro de Nanociência e Nanotecnologia da Universidade Hebraica de Jerusalém, que liderou o estudo junto com F. Dean Toste, cientista da Divisão de Ciências Químicas do Berkeley Lab e professor do Departamento de Química da UC Berkeley.

p Saber o nível preciso de energia necessário para desencadear reações químicas (a energia de ativação) é a chave para otimizar as reações, e pode reduzir custos em escala industrial, conservando o uso de energia.

p "Esta técnica tem a capacidade de dizer não apenas onde e quando uma reação ocorreu, mas também para determinar a energia de ativação para a reação em diferentes locais, "Gross disse." O que você tem aqui é uma ferramenta que pode abordar questões fundamentais na pesquisa de catálise. Mostramos que as áreas altamente defeituosas no nível atômico são mais ativas do que as superfícies lisas. "

p Esta característica está relacionada ao pequeno tamanho das partículas, Gross observou. "À medida que o tamanho da partícula diminui, a estrutura é menos uniforme e você tem mais defeitos, " ele disse.

p Partículas menores têm maior área de superfície por partícula do que partículas maiores, o que significa que mais átomos estarão localizados nas bordas. Os átomos nas bordas das partículas têm menos vizinhos do que aqueles ao longo de suas superfícies lisas, e menos vizinhos significa mais liberdade para participar da química com outros elementos.

p Como as reações químicas estudadas ocorrem muito rapidamente - em menos de um segundo - e a técnica ALS pode levar cerca de 20 minutos para escanear um único ponto em uma partícula, os pesquisadores usaram uma camada de moléculas quimicamente ativas, que estavam presos à superfície da partícula, como marcadores da reatividade catalítica.

p A reação catalítica no estudo foi análoga ao que ocorre nos conversores catalíticos de veículos movidos a gasolina. Os conversores catalíticos usam partículas de platina e outros materiais para converter o escapamento do carro em emissões menos tóxicas.

p Os experimentos futuros planejados com a técnica SINS se concentrarão na documentação de processos químicos ativos que usam fluxos controlados de gases ou líquidos para desencadear reações, pesquisadores disseram, e experiências futuras podem usar pressão e temperatura variáveis ​​para medir os efeitos.

p "Acho que essa será uma ferramenta muito interessante para novos experimentos e análises que podem responder a muitas perguntas que não podiam ser respondidas antes, "Gross disse." Esta ferramenta nos dá a capacidade de obter uma melhor resolução em três ordens de magnitude do que algumas outras técnicas, que abriu um campo muito amplo para estudos de catálise e química de superfície. "

p Estudos futuros também podem combinar métodos baseados em infravermelho e raios-X no ALS para reunir informações químicas mais ricas, pesquisadores disseram. Já há planos para uma nova linha de luz infravermelha no ALS que aumentará a capacidade e recursos para estudos químicos infravermelhos e também lançará estudos estruturais 3-D baseados em infravermelho no ALS.