Скважины в этих экспериментах в среднем составляют 2.3 миллиардных метра в ширину и от 80 до 120 миллиардных метра в глубину. Эти крошечные каналы обеспечивают доступ к платиновому катализатору, расположенному между твердыми ядрами и пористыми оболочками сфер кремнезема. И они помогают команде химиков понять, как такое наноконфинирование катализаторов влияет на реакции.
Предыдущие исследования реакций ограничивались теоретической работой с упрощенными моделями и экспериментами после набора молекул. Это исследование позволило собрать данные об отдельных молекулах, потому что в ходе эксперимента была создана флуоресцентная молекула, которую можно было зажигать, отображать и отслеживать — даже в условиях наноконфайнмента.
«Этот эффект наноконфайнмента еще недостаточно изучен, особенно на количественном уровне», — сказал Вэнью Хуанг, доцент химии Университета штата Айова и научный сотрудник Университета штата Калифорния.S. Лаборатория Эймса Министерства энергетики.
В новой статье, недавно опубликованной в журнале Nature Catalysis, сообщается, что в этом случае «скорость реакции значительно увеличивается в присутствии наноконфайнмента», — написали Хуанг и группа соавторов.
Хуанг и Нин Фанг, доцент химии в Университете штата Джорджия в Атланте, являются ведущими авторами статьи. Трехлетний грант в размере 550 000 долларов США от Национального научного фонда поддержал проект.
Лаборатория Хуана в штате Айова создала, изучила и описала многослойные сферы и их нанолунки заданной длины. Лаборатория Клыка в штате Джорджия использовала технологию лазерной и микроскопической визуализации для отслеживания молекул и измерения реакций.
Это было серьезной проблемой для исследователей. Такие измерения никогда не проводились экспериментально «из-за, казалось бы, непреодолимых технических проблем, связанных с динамическим отслеживанием отдельных молекул в сложных нанопористых структурах в условиях реакции», — писали химики в своей статье.
Однако они разработали экспериментальную технику, которая успешно отслеживала траектории более 10 000 молекул в модельной каталитической реакции. (В реакции участвовала молекула, называемая красным амплексом, реагирующая с перекисью водорода на поверхности наночастиц платины с образованием молекулы продукта, называемого резоруфином, который является высоко флуоресцентной молекулой.)
Помимо открытия, что наноконфайнмент увеличивает скорость реакции, эксперименты показали меньшую адгезию молекул к поверхности наночастиц платины.
Теперь, когда они продемонстрировали свои экспериментальные методы и сделали первоначальные выводы, химики планируют расширить свой проект.
«Как только мы поймем эту модель, мы сможем взглянуть на более сложные реакции», — сказал Хуанг.
И это может привести к лучшим катализаторам.
Как писали химики в своей статье: «Эта работа открывает путь для исследований, позволяющих количественно дифференцировать, оценивать и понимать сложные эффекты наноконфайнмента на динамические каталитические процессы, тем самым направляя рациональный дизайн высокоэффективных катализаторов."