Små partikler, store resultater:Maksimering af energigevinster fra små nanopartikler

(Phys.org) – Nogle gange kommer store forandringer fra små begyndelser. Det gælder især i Anatoly Frenkels forskning, professor i fysik ved Yeshiva University, som arbejder på at genopfinde den måde, vi bruger og producerer energi på ved at frigøre potentialet i nogle af verdens mindste strukturer:nanopartikler.

"Nanopartiklen er den mindste enhed i de fleste nye materialer, og alle dens egenskaber er på en eller anden måde knyttet til dens struktur, " sagde Frenkel. "Hvis vi kan forstå den forbindelse, vi kan udlede meget mere information om, hvordan det kan bruges til katalyse, energi, og andre formål."

Nogle gange kommer store forandringer fra små begyndelser. Det gælder især i Anatoly Frenkels forskning, professor i fysik ved Yeshiva University, som arbejder på at genopfinde den måde, vi bruger og producerer energi på ved at frigøre potentialet i nogle af verdens mindste strukturer:nanopartikler.

"Nanopartiklen er den mindste enhed i de fleste nye materialer, og alle dens egenskaber er på den ene eller anden måde knyttet til dens struktur, " sagde Frenkel. "Hvis vi kan forstå den forbindelse, vi kan udlede meget mere information om, hvordan det kan bruges til katalyse, energi, og andre formål. "

Frenkel samarbejder med materialeforsker Eric Stach og andre ved det amerikanske energiministeriums Brookhaven National Laboratory for at udvikle nye måder at studere, hvordan nanopartikler opfører sig i katalysatorer - "kickstarterne" af kemiske reaktioner, der omdanner brændstoffer til brugbare energiformer og transformerer. råvarer til industriprodukter.

"Vi udvikler en ny 'mikro-reaktor', der sætter os i stand til at udforske mange aspekter af katalytisk funktion ved hjælp af flere tilgange ved Brookhaven's National Synchrotron Light Source (NSLS), den snart færdiggjorte NSLS-II, og Center for Funktionelle Nanomaterialer (CFN), " sagde Stach, der arbejder på CFN. "Denne tilgang lader os forstå flere aspekter af, hvordan katalysatorer fungerer, så vi kan justere deres design for at forbedre deres funktion. Dette arbejde kan føre til store gevinster i energieffektivitet og omkostningsbesparelser for industrielle processer."

Højteknologiske værktøjer til videnskab

Indtil nu, metoder til forståelse af katalytiske egenskaber kunne kun bruges én ad gangen, hvor katalysatoren ender i en anden tilstand for hvert af eksperimenterne. Dette gjorde det vanskeligt at sammenligne information opnået med de forskellige instrumenter. Den nye mikroreaktor vil anvende flere teknikker - mikroskopi, spektroskopi, og diffraktion - for at undersøge forskellige egenskaber af katalysatorer samtidigt under driftsbetingelser. Ved at holde partikler i samme strukturelle og dynamiske tilstand under de samme reaktionsbetingelser, mikroreaktoren vil give forskerne en meget bedre fornemmelse af, hvordan de fungerer.

"Denne udvikling er et resultat af kombinationen af ​​unikke faciliteter til rådighed i Brookhaven, " sagde Frenkel. "Ved at arbejde tæt sammen med Eric, vi indså, at der var en måde at få både røntgen- og elektronbaserede metoder til at fungere på en virkelig komplementær måde.

Hver teknik har styrker, Forklarede Stach. "På NSLS, ved hjælp af kraftige røntgenstråler, vi kan fortælle, hvordan hele gruppen af ​​nanopartikler opfører sig, mens elektronmikroskopi ved CFN lader os se atomstrukturen af ​​hver nanopartikel. Ved at have begge disse syn på katalysatorerne kan vi tydeligere forstå forholdet mellem katalysatorstruktur og funktion."

sagde Frenkel, "Det var meget tilfredsstillende for os at gennemføre de første tests med reaktoren på hvert anlæg og modtage positive resultater. Jeg er særlig taknemmelig over for Ryan Tappero, videnskabsmanden, der driver NSLS beamline X27A, for hans eksperthjælp med røntgendataindsamling."

Frenkel har haft et løbende samarbejde med forskere på Brookhaven. Sidste år, med post-doc forskningsassistent Qi Wang, Frenkel og Stach målte egenskaber af nanopartikler ved hjælp af røntgenstråler produceret af NSLS samt billeddannelse i atomare skala med elektroner ved CFN. Som rapporteret i et papir offentliggjort i Journal of the American Chemical Society tidligere i år, de opdagede, at i stedet for at ændre fuldstændigt fra en tilstand til en anden ved en bestemt temperatur og størrelse, som man tidligere havde troet, der er en overgangszone mellem tilstande, når partikler ændrer former.

"Dette er grundlæggende vigtigt, fordi indtil nu, strukturerne var kendt for blot at ændre sig fra en form til en anden - de var aldrig forudset til at eksistere side om side i forskellige former, " sagde Frenkel. "Med vores information kan vi forklare, hvorfor katalysatorer ofte ikke fungerer som forventet, og hvordan man kan forbedre dem."

Uddannelse for unge forskere

Samarbejdet giver også de studerende mulighed for at opleve forskningsudfordringerne, giver dem adgang til værktøjerne i verdensklasse på Brookhaven. Frenkels bachelorstuderende ved Yeshiva Universitys Stern College for Women hjælper med målinger, dataanalyse, og fortolkning, og mange har allerede fulgt ham til Brookhaven for at hjælpe med hans arbejde ved hjælp af NSLS og andre banebrydende instrumenter.

"Jeg giver dem førstehåndserfaring om, hvordan en forskers liv er tidligt, da de udfører førsteklasses forskning, " sagde Frenkel. "Denne oplevelse åbner døre til ethvert felt, de ønsker at være i."

Alyssa Lerner, en præ-ingeniør major, der har arbejdet med Frenkel på Brookhaven, sagde forskningen "har hjulpet mig med at udvikle færdigheder som beregningsanalyse og kritisk tænkning, som er essentielle inden for ethvert videnskabeligt område. Den praktiske eksperimentelle erfaring har givet mig en bedre forståelse af, hvordan det videnskabelige samfund fungerer, hjælper mig med at træffe mere informerede karriererelaterede valg, mens jeg fortsætter med at fremme min uddannelse."

Parring af studerende og mentorer for at fremme uddannelse og gøre brug af komplementære billedbehandlingsteknikker til at forbedre energieffektiviteten - blot to af de positive resultater af dette succesfulde samarbejde.

"Ved at samle flere komplementære teknikker for at belyse den samme proces, vil vi forstå, hvordan nanomaterialer fungerer, " sagde Frenkel. "I sidste ende, denne forskning vil skabe en bedre måde at bruge, opbevaring, og omdanne energi."