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 é apressar o processo - e sair dele intacto. E, assim como nem todas as casas de um bairro têm 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 nanobastões de paládio ficam
sobre os nanobares de ouro. Nesta imagem, um feixe de elétrons é direcionado à
amostra para observar as interações catalíticas entre as moléculas de hidrogênio
(em verde) e o catalisador de paládio. 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 avançadas de fabricação e caracterização para dotar os catalisadores com novas habilidades.

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

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

Um mini lab

A simples observação dessa reação exigia um microscópio excepcional, capaz de obter imagens de um processo químico ativo em uma escala extremamente pequena. “É difícil observar como os catalisadores mudam sob condições de reação porque as nanopartículas são extremamente pequenas”, disse Katherine Sytwu, ex-estudante de pós-graduação no laboratório de Dionne e principal autora do artigo. “As características de escala atômica de um catalisador geralmente ditam onde uma transformação acontece, e por isso é crucial distinguir o que está acontecendo dentro da pequena nanopartícula.”

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

Para conseguir tudo isso, os pesquisadores usaram um microscópio eletrônico 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 microscópios eletrônicos de transmissão usam elétrons para imagens de amostras, o que permite um nível mais alto de ampliação do que um microscópio óptico clássico, e a característica ambiental desse microscópio significa que o gás pode ser adicionado ao que de outra forma seria um ambiente sem ar.

“Você tem basicamente um mini-laboratório onde pode fazer experimentos e visualizar o que está acontecendo em um nível quase atômico”, disse Sytwu.

Sob certas condições de temperatura e pressão, o paládio rico em hidrogênio liberará seus átomos de hidrogênio. A fim de ver como a luz afetaria essa transformação catalítica padrão, 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 paládio e agir como uma antena, coletando o material luz e canalizando-o para o catalisador próximo.

“Primeiro, precisamos entender como esses materiais se transformam naturalmente. Então, começamos a pensar sobre como poderíamos modificar e realmente controlar como essas nanopartículas mudam ”, disse Sytwu.

Sem luz, os pontos mais reativos da desidrogenação são as duas pontas do nanorod. A reação então viaja através do nanobastão, liberando hidrogênio 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 é um dos raros exemplos que mostra que é possível ajustar como os catalisadores se comportam mesmo depois de feitos. Ele abre um potencial significativo para aumentar a eficiência no nível de catalisador único. Um único catalisador pode desempenhar o papel de muitos, usando luz para realizar várias das mesmas reações em sua superfície 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 às vezes ocorrem junto com as desejadas. A meta mais ambiciosa de Dionne é um dia desenvolver catalisadores eficientes capazes de quebrar o plástico em um nível molecular e transformá-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 avançado por conta própria, portanto, compartilhá-lo aumenta o acesso e o suporte especializado.

“O que podemos aprender sobre o mundo e como podemos permitir o próximo grande avanço é tão criticamente possibilitado por plataformas de pesquisa compartilhadas”, disse Dionne, que também é vice-reitor associado sênior para plataformas de pesquisa / instalações compartilhadas. “Esses espaços não oferecem apenas ferramentas essenciais, mas uma comunidade realmente incrível de pesquisadores.”

Outros coautores de Stanford incluem o ex-bolsista de pós-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 prêmio 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 é professora 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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