Et stænk vaskemiddel gør katalytiske forbindelser mere kraftfulde

Forsker David Rosenberg undersøger billeder af et hvidt pulver under et kraftigt scanningselektronmikroskop. Tæt, pulveret ligner groft grus, en bunke lignende, men uregelmæssige bidder. Så ser han på et andet billede – det samme materiale produceret af kollegaen Hongyou Fan i stedet for købt fra et katalog – og han ser perfekt glat, ensartede kugler.

"Jeg har aldrig set noget lignende. I denne skala, ingen kan kontrollere formen eller størrelsen så godt. Denne teknologi gør begge dele."

Det ensartede pulver og lignende fremstillet på Sandia National Laboratories ser ikke bare godt ud, de udkonkurrerer kommercielle varianter, der bruges til at sætte gang i kemiske reaktioner i solceller og kunne bruges til at producere rent brændende brintbrændstof. Hvis udviklet til industrien, den nye teknologi - emnet for et nyligt papir i Nano Letters - kunne forbedre ydeevnen og samtidig reducere omkostningerne til disse og andre katalysatorer, der bruges overalt fra miljøoprydning til kræftbehandling.

Dens nøgleingrediens:vaskemiddel.

Faktisk, det er en version af kommerciel kvalitet, ikke ulig husholdningsopvaskemiddel, minus farvestoffer og parfume. Ventilator, opfinderen af ​​den vaskemiddelbaserede teknologi, og hans team på det fælles Advanced Materials Laboratory ved University of New Mexico bruger den aktive ingrediens i rengøringsopløsninger til at fange råmaterialer ligesom fedt, indkapsling af dem inde i bure, der består af vaskemiddelmolekyler. Buret fungerer som en molekylær form, der dikterer størrelsen og formen - eller morfologien - af det materiale, der dannes indeni. Fjern vaskemidlet, og du står tilbage med ren, ensartede partikler.

"Normalt, du ville have meget lidt kontrol over reaktionen, der producerer disse materialer, " siger Fan. "Dette fører til uregelmæssig morfologi."

Det kan være et problem for de ingeniører, der bruger disse materialer. Nogle katalysatorer virker ikke, medmindre de er arrangeret på bestemte måder på molekylært niveau, og nogle lysabsorberende partikler, der bruges i solceller, opsuger mere sollys i visse størrelser end andre. Når individuelle partikler er uregelmæssige, kun en brøkdel af bulkmaterialet yder, som det er meningen. Resten er dødvægt, hvilket også gør det svært at forudsige katalysatorens ydeevne.

Fordi Fan's partikler er ensartede og tæt kontrollerede, ingeniører kunne bruge mindre materiale og få samme effekt som konventionelle pulvere. I en undersøgelse, Fans version af en fotokatalysator, som kan bruges til at rense spildevand, nedbrød fem gange mere forurenende end dets kommercielle modstykke. I sin seneste avis, han demonstrerede lignende forbedringer i et materiale, der katalytisk producerer brint.

Konsistens forbedrer præstationsforudsigelser

Rosenberg skalerer op og anvender teknologien til sin eksplosivforskning for national sikkerhed, hvor uforudsigelige materialer er uacceptable. Sammen med et team, der forbedrer input til computermodeller, "vi så en utrolig, kraftfuld applikation, når den indgår i vores modelleringsindsats, " han siger.

Sandia udvikler computersimuleringer, så Rosenberg og hans team ikke skal fysisk bygge og teste dele hver gang. Men antagelser, der bliver lagt ind i disse modeller, kan kompromittere outputtet.

For at spare computerressourcer og tid, en simulering kan antage, at partikler har enklere former eller er mere konsistente, end de i virkeligheden er. Men, den vil aldrig perfekt forudsige, hvordan det virkelige materiale virker. Ventilatorens ensartede pulvere justerer materialet med modellen, giver Rosenberg muligheden for at kontrollere partiklernes struktur, så mange af de matematiske antagelser forsvinder.

"Vi kunne se på modeller, der perfekt beskriver pulverets fysiske egenskaber, og det ville give os et utroligt værktøj både til at validere eksisterende modeller og til at udvikle nye."

Skift vaskemiddel, ændre formen

Ventilator optimerer også materialer til potentielle anvendelser som energikonvertering i solceller, fototerapi til kræftbehandling og brintproduktion til rene brændstofkilder ved at skabe velkendte partikler i helt nye former. Et rengøringsmiddel kan resultere i kugler, men blæseren kan skifte det ud med et rengøringsmiddel, der producerer diske, stænger eller oktaeder. I undersøgelsen, der målte fotokatalytisk ydeevne, han testede otte former mod den kommercielle pendant, før han kronede den mest effektive form.

Men indtil videre, Fan har stort set opdaget disse former gennem forsøg og fejl. Så han fik hjælp fra Younan Xia, en professor ved Georgia Institute of Technology og en pioner inden for syntese af nanomaterialer for at fremskynde sit arbejde.

"Vi måler grundlæggende kinetik, hvor hurtigt atomer eller molekyler aflejres på overfladen af ​​voksende nanopartikler, " siger Xia. "Den endelige struktur af partikler afhænger af denne hastighed i forhold til overfladediffusionshastigheden, " eller den hastighed, hvormed molekyler driver væk.

Xia og Fan arbejder sammen om at udvikle en opskrift til at replikere bestemte former baseret på vaskemidlet, temperatur, pH-værdi og koncentration. Som at dreje på drejeknapper, de kunne justere disse input for at få et pålideligt output.

"Hvis du ikke har en kvantitativ knap, du kan udføre eksperimentet hundrede gange, før du får den rigtige form, " siger Xia. "Med en, vi håber, vi kan få det lige efter første eller andet forsøg."