Mindre er bedre i den viskøse zone

At være den rigtige størrelse og eksistere i limbo mellem en fast og en flydende tilstand ser ud til at være hemmelighederne bag at forbedre effektiviteten af ​​kemiske katalysatorer, der kan skabe bedre nanopartikler eller mere effektive energikilder.

Når materien er i denne overgangstilstand, en katalysator kan opnå sit største potentiale med den rigtige kombination af katalysatorpartikelstørrelse og temperatur, ifølge et par Duke University-forskere. En katalysator er et middel eller kemikalie, der letter en kemisk reaktion. Det anslås, at mere end 90 procent af industriens kemiske processer involverer katalysatorer på et tidspunkt.

Dette fund kan have brede konsekvenser i næsten alle katalysatorbaserede reaktioner, ifølge en ingeniør og en kemiker hos Duke, der rapporterede deres fund online i American Chemical Society's journal ACS-Nano . Teamet fandt ud af, at forholdet mellem overflade og volumen af ​​katalysatorpartiklen-dens størrelse-er vigtigere end generelt set.

"Vi fandt ud af, at den mindre størrelse af en katalysator vil føre til en hurtigere reaktion, end hvis hovedparten, eller større, version af den samme katalysator bruges, "sagde Stefano Curtarolo, lektor ved Institut for Maskinteknik og Materialevidenskab.

"Dette er ud over det sædvanlige overfladeoverflade i nanopartiklerne, "sagde Curtarolo, som kom med det teoretiske grundlag for resultaterne for tre år siden og så dem bekræftet af en række indviklede eksperimenter udført af Jie Liu, Hertug professor i kemi.

"Dette åbner et helt nyt studieområde, da den termokinetiske tilstand af katalysatoren ikke tidligere er blevet betragtet som en vigtig faktor, " sagde Curtarolo. "Det er på forsiden af ​​det paradoksalt. Det er som at sige, at hvis en bil bruger mindre gas (en mindre partikel), det vil gå hurtigere og længere. "

Deres række eksperimenter blev udført ved hjælp af carbon nanorør, og forskerne mener, at de samme principper, som de beskrev i papiret, gælder for alle katalysatordrevne processer.

Liu beviste Curtarolos hypotese ved at udvikle en ny metode til at måle ikke kun længderne på voksende kulstofnanorør, men også deres diametre. Nanorør er mikroskopiske "mesh-lignende" rørformede strukturer, der bruges i hundredvis af produkter, såsom tekstiler, solceller, transistorer, forureningsfiltre og rustning.

"Normalt, nanorør vokser fra en flad overflade på en uorganiseret måde og ligner en tallerken spaghetti, så det er umuligt at måle et individuelt rør, "Sagde Liu." Vi var i stand til at dyrke dem i individuelle parallelle tråde, som tillod os at måle vækstraten såvel som vækstens længde. "

Ved at dyrke disse nanorør ved hjælp af forskellige katalysatorpartikelstørrelser og ved forskellige temperaturer, Liu var i stand til at bestemme det "søde sted", hvor nanorørene voksede hurtigst og længst. Som det viste sig, dette skete, når partiklen var i sin viskøse tilstand, og at mindre var bedre end større, præcis som forudsagt før.

Disse målinger gav den eksperimentelle underbygning af Curtarolos hypotese, at givet en bestemt temperatur, mindre nanopartikler er mere effektive og effektive pr. arealenhed end større katalysatorer af samme type, når de opholder sig i den dimension mellem fast og flydende.

"Typisk, på dette område kommer de eksperimentelle resultater først, og forklaringen kommer senere, "Sagde Liu." I dette tilfælde, hvilket er usædvanligt, vi tog hypotesen og kunne udvikle en metode til at bevise, at den var korrekt i laboratoriet. "