Ny model for bimolekylære reaktioner i nanoreaktorer

Teoretiske fysikere har udtænkt en matematisk model af to forskellige molekyler, der reagerer i såkaldte nanoreaktorer, der fungerer som katalysatorer. De fik overraskende ny indsigt i, hvilke faktorer der fremmer reaktioner, og hvordan man kontrollerer og udvælger dem. Modellen er relevant for en lang række forskningsfelter, bl. fra biofysik til energimaterialer.

Nanoreaktorer er små systemer, der letter specifikke kemiske reaktioner, som en katalysator gør. Mange findes i biologiske systemer, såsom visse proteiner. Men kemikere er også i stand til at syntetisere kunstige nanoreaktorer for at kontrollere kemiske reaktioner. En vigtig klasse af disse nanoreaktorer har en "blomme &skal"-arkitektur som et æg:en katalytisk aktiv metallisk nanopartikel er omgivet af en skal bestående af et polymert netværk. Disse former for nanoreaktorer kan skabe isolerede miljøer for specifikke reaktioner og begrænse dem til det lille rum inde i skallen.

Matematisk beskrivelse giver ny indsigt

"Vi har nu for første gang matematisk beskrevet, hvordan to forskellige molekyler transporteres til at reagere inden for nanoreaktorer. Den nye model viser tydeligt, hvilke faktorer der favoriserer en given reaktion", siger Dr. Rafael Roa. Roa er førsteforfatter til publikationen i ACS katalyse og en postdoc i gruppen ledet af prof. Joe Dzubiella ved HZB Institute for Soft Matter and Functional Materials.

Hvad betyder mest?

Nogle af resultaterne kommer som en overraskelse:mod forventning, reaktionshastigheden er ikke så meget begrænset af koncentrationen af ​​molekylerne i opløsning, men afgørende af permeabiliteten af ​​nanoreaktorens skal. "Dette er ekstremt interessant, da kemikere i dag ofte kan finjustere eller endda ændre permeabiliteten af ​​disse skaller til specifikke molekyler via variationer i temperatur eller andre parametre", forklarer medforfatter Dr. Won Kyu Kim.

Foto-aktivering taget i betragtning

Den nye model er et stort skridt fremad i forhold til den ældre teori lavet mange årtier tidligere, som kun kunne håndtere ét molekyle. "Vores model er anvendelig til forskning i energimaterialer, og det kan endda tage højde for fotoaktivering af et af molekylerne ved skallen ved sollys", oplyser Dzubiella. Han har med dette arbejde opnået et af målene for hans European Research Council (ERC) Consolidator Grant (2015-2020).

Forudsigelser vil blive sat på prøve

Dzubiellas Soft Matter Theory-gruppe samarbejder med HZB-kemiker Prof. Yan Lu, en anerkendt ekspert i syntetiske nanoreaktorer. De er ivrige efter at teste deres teoretiske forudsigelser på rigtige systemer. "Vi er nu i stand til bedre at forstå, hvad der sker, og vi forventer at forudsige, hvordan de katalytiske virkninger af disse typer nanoreaktorer kan kontrolleres - gennem feedback-loops, for eksempel, som vil stoppe eller starte reaktionen efter behag."