Исследователи сняли "нанокино" о катализе

Технология микроскопии, разработанная учеными из Корнельского университета, позволяет наблюдать отдельный акт катализа на наночастицах. Новый метод показал, что каждая наночастица отличается от остальных по каталитическим характеристикам. Пресс-релиз работы, опубликованной в журнале Nature Materials, доступен на сайта Корнельского университета.

Изучение свойств наночастиц является одним из самых "модных" направлений в науке. В наномасштабе привычные всем материалы приобретают новые свойства, например, начинают катализировать протекание химических реакций. При уменьшении размера частицы вещества соотношение ее поверхности к объему быстро возрастает. Большое число поверхностных атомов и их необычные свойства отличают частицы наноразмеров от остальных.

В своих экспериментах исследовали закрепляли на стеклянной подложке сферические золотые наночастицы диаметром около шести нанометров. По подложке был организован ток красителя, молекулы которого при соприкосновении с наночастицами переходили в другую форму. В исходной форме молекула красителя почти не испускает излучения. После контакта с поверхностью наночастицы, молекула красителя теряет атом кислорода и начинает интенсивно флуоресцировать при воздействии ультрафиолета.

С помощью микроскопа, который делал фотографии каждые 30 миллисекунд, ученые сняли "кино" о происходящих на наночастицах процессах. Молекула красителя испускает излучение в течение короткого отрезка времени пока она связана с поверхностью наночастицы. Анализируя кадры "кино", исследователи смогли идентифицировать отдельные вспышки света, каждая из которых соответствовала одному акту катализа.

Ученые также смогли "различить" три различных механизма взаимодействия молекулы красителя с наночастицей, которые работали на разных наночастицах. Взаимодействие первого типа происходило по следующей схеме: краситель связывался с поверхностью, терял атом кислорода, после чего освобождался в раствор. Во втором случае перед тем, как отделиться от частицы, молекула красителя перемещалась в другое положение. На частицах третьего типа были возможны оба варианта.

Возможным объяснением такого эффекта может являться неидеальная сферическая форма наночастиц. Кроме того, на различных участках поверхности находятся разные "части" кристаллической решетки золота.

Еще одной особенностью катализа на золотых наночастицах оказалось различное время, которое молекулы красителя проводили в связи с поверхностью. Молекулы задерживались на одном и том же месте сначала на небольшой отрезок времени, потом на более длинный, а затем время контакта снова сокращалось. По мнению ученых, разное время объясняется тем, что во время акта катализа происходят структурные изменения поверхности наночастицы. Соответственно, время реакции катализа, происходящей сразу после изменения структуры, будет отличаться от "среднестатистического".

Катализ на наночастицах может оказаться востребованным во многих отраслях промышленности. Например, наночастицы позволят снизить стоимость экологически чистых автомобилей. Большинство из них получают энергию, используя реакции, требующие в качестве катализатора драгоценные металлы. По мере работы двигателя дорогостоящий катализатор расходуется, и его запас необходимо восполнять.

Источник: lenta.ru