Tecnologia Científica

Controlando a química com luz esculpida
Engenheiros de Stanford encontram uma maneira de controlar catalisadores químicos com luz esculpida
Por Taylor Kubota - 18/01/2021

Como uma pessoa que interrompe uma briga de gato, o papel dos catalisadores em uma reação química éapressar o processo - e sair dele intacto. E, assim como nem todas as casas de um bairro tem alguém disposto a intervir nessa batalha, nem todas as partes do catalisador participam da reação. Mas e se alguém pudesse convencer as partes não engajadas de um catalisador a se envolver? As reações químicas podem ocorrer mais rapidamente ou com mais eficiência.

Descrição da configuração experimental em que os nanobastaµes de pala¡dio ficam
sobre os nanobares de ouro. Nesta imagem, um feixe de elanãtrons édirecionado a 
amostra para observar as interações catala­ticas entre as moléculas de hidrogaªnio
(em verde) e o catalisador de pala¡dio. A luz que direciona a iluminação é
mostrada em vermelho. (Crédito da imagem: Katherine Sytwu)

Os cientistas de materiais da Universidade de Stanford liderados por Jennifer Dionne fizeram exatamente isso usando técnicas leves e avana§adas de fabricação e caracterização para dotar os catalisadores com novas habilidades.

Em um experimento de prova de conceito, hastes de pala¡dio que tinham aproximadamente 1/200 da largura de um cabelo humano serviram como catalisadores. Os pesquisadores colocaram esses nanobastaµes sobre nanobares de ouro que focalizam e “esculpem” a luz ao redor do catalisador. Essa luz esculpida mudou as regiaµes nos nanobastaµes onde ocorreram as reações químicas - que liberam hidrogaªnio. Este trabalho, publicado em 14 de janeiro na Science , pode ser um primeiro passo em direção a catalisadores mais eficientes, novas formas de transformações catala­ticas e potencialmente atémesmo catalisadores capazes de sustentar mais de uma reação ao mesmo tempo.

“Esta pesquisa éum passo importante na realização de catalisadores que são otimizados da escala atômica a  escala do reator”, disse Dionne, professor associado de ciência e engenharia de materiais e autor saªnior do artigo. “O objetivo éentender como, com a forma e composição adequadas, podemos maximizar a área reativa do catalisador e controlar quais reações estãoocorrendo.”

Um mini lab

A simples observação dessa reação exigia um microsca³pio excepcional, capaz de obter imagens de um processo qua­mico ativo em uma escala extremamente pequena. “a‰ difa­cil observar como os catalisadores mudam sob condições de reação porque as nanoparta­culas são extremamente pequenas”, disse Katherine Sytwu, ex-estudante de pós-graduação no laboratório de Dionne e principal autora do artigo. “As caracteri­sticas de escala atômica de um catalisador geralmente ditam onde uma transformação acontece, e por isso écrucial distinguir o que estãoacontecendo dentro da pequena nanoparta­cula.”

Para esta reação particular - e as experiências posteriores sobre o controle do catalisador - o microsca³pio também teve que ser compata­vel com a introdução de gás e luz na amostra.

Para conseguir tudo isso, os pesquisadores usaram um microsca³pio eletra´nico de transmissão ambiental nas Instalações Nano-compartilhadas de Stanford com um acessório especial, previamente desenvolvido pelo laboratório Dionne , para introduzir luz. Como o nome sugere, os microsca³pios eletra´nicos de transmissão usam elanãtrons para imagens de amostras, o que permite umnívelmais alto de ampliação do que um microsca³pio a³ptico cla¡ssico, e a caracterí­stica ambiental desse microsca³pio significa que o gás pode ser adicionado ao que de outra forma seria um ambiente sem ar.

“Vocaª tem basicamente um mini-laboratório onde pode fazer experimentos e visualizar o que estãoacontecendo em umnívelquase ata´mico”, disse Sytwu.

Sob certas condições de temperatura e pressão, o pala¡dio rico em hidrogaªnio liberara¡ seus a¡tomos de hidrogaªnio. A fim de ver como a luz afetaria essa transformação catala­tica padra£o, os pesquisadores personalizaram um nanobar de ouro - projetado usando equipamentos nas Instalações Nano-Compartilhadas de Stanford e nas Instalações de Nanofabricação de Stanford - para ficar abaixo do pala¡dio e agir como uma antena, coletando o material luz e canalizando-o para o catalisador pra³ximo.

“Primeiro, precisamos entender como esses materiais se transformam naturalmente. Então, comea§amos a pensar sobre como podera­amos modificar e realmente controlar como essas nanoparta­culas mudam ”, disse Sytwu.

Sem luz, os pontos mais reativos da desidrogenação são as duas pontas do nanorod. A reação então viaja atravanãs do nanobastão, liberando hidrogaªnio ao longo do caminho. Com a luz, no entanto, os pesquisadores conseguiram manipular essa reação de modo que ela viajasse do meio para fora ou de uma ponta a outra. Com base na localização do nanobar de ouro e nas condições de iluminação, os pesquisadores conseguiram produzir uma variedade de pontos de acesso alternativos.

Quebra de ligações e descobertas

Este trabalho éum dos raros exemplos que mostra que épossí­vel ajustar como os catalisadores se comportam mesmo depois de feitos. Ele abre um potencial significativo para aumentar a eficiência nonívelde catalisador aºnico. Um aºnico catalisador pode desempenhar o papel de muitos, usando luz para realizar várias das mesmas reações em suasuperfÍcie ou potencialmente aumentar o número de locais para as reações. O controle da luz também pode ajudar os cientistas a evitar reações indesejadas e estranhas que a s vezes ocorrem junto com as desejadas. A meta mais ambiciosa de Dionne éum dia desenvolver catalisadores eficientes capazes de quebrar o pla¡stico em umnívelmolecular e transforma¡-lo em seu material de origem para reciclagem.

Dionne enfatizou que este trabalho, e tudo o que vem a seguir, não seria possí­vel sem as instalações e recursos compartilhados disponí­veis em Stanford. (Esses pesquisadores também usaram o Stanford Research Computing Center para fazer sua análise de dados.) A maioria dos laboratórios não pode se dar ao luxo de ter esse equipamento avana§ado por conta própria, portanto, compartilha¡-lo aumenta o acesso e o suporte especializado.

“O que podemos aprender sobre o mundo e como podemos permitir o pra³ximo grande avanço étão criticamente possibilitado por plataformas de pesquisa compartilhadas”, disse Dionne, que também évice-reitor associado saªnior para plataformas de pesquisa / instalações compartilhadas. “Esses Espaços não oferecem apenas ferramentas essenciais, mas uma comunidade realmente incra­vel de pesquisadores.”

Outros coautores de Stanford incluem o ex-bolsista de pa³s-doutorado Michal Vadai, o ex-aluno de doutorado Fariah Hayee e os alunos de graduação Daniel K. Angell, Alan Dai e Jefferson Dixon.

Esta pesquisa foi financiada pelo SLAC National Accelerator Laboratory; a National Science Foundation, incluindo o praªmio Alan T. Waterman, o Departamento de Energia dos EUA (parcialmente como parte do Centro de Pesquisa de Fronteira de Energia “Photonics at Thermodynamic Limits”), Office of Science, Divisão de Ciência e Engenharia de Materiais, Gabilan Stanford Graduate Fellowship, o Tom
Kat Center for Sustainable Energy em Stanford, o Diversifying Academia, Recruiting Excellence (DARE) Programa de Doutorado em Stanford. Dionne também éprofessora de Radiologia por cortesia, membro do Wu Tsai Neurosciences Institute e Stanford Bio-X , e afiliada do Precourt Institute for Energy .

 

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