Les catalyseurs chimiques sont les agents de changement derrière la production d'à peu près tout ce que nous utilisons dans notre vie quotidienne, des plastiques aux médicaments sur ordonnance. Lorsque les bons catalyseurs sont mélangés aux bons composés chimiques, des molécules qui, autrement, mettraient des années à interagir le font en quelques secondes seulement.

Cependant, développer ne serait-ce qu'un seul matériau catalyseur pour déclencher cette chorégraphie précise des atomes peut prendre des mois, même des années, lors de l'utilisation de procédures de chimie humide traditionnelles qui n'utilisent que des réactions chimiques, souvent en phase liquide, faire pousser des nanoparticules.

Des chercheurs de l'Université de Rochester affirment qu'il existe un moyen de raccourcir considérablement ce processus, en utilisant plutôt des lasers pulsés dans des liquides pour créer rapidement des des réseaux systématiques de nanoparticules qui peuvent être facilement comparés et testés pour être utilisés comme catalyseurs.

Le processus est décrit dans un Avis sur les produits chimiques article d'Astrid Müller, professeur adjoint de génie chimique à l'Université de Rochester qui a adapté la technique pour son travail sur les solutions énergétiques durables. Trois doctorats étudiants de son laboratoire, les coauteurs Ryland Forsythe, Connor Cox, et Madeleine Wilsey—ont effectué un examen exhaustif de près de 600 articles antérieurs portant sur l'utilisation de lasers pulsés dans les liquides. Par conséquent, leur article est le plus complet, étude à jour d'une technologie qui a été développée pour la première fois en 1987.

Les lasers pulsés dans les liquides, un "outil indispensable" pour découvrir des catalyseurs

Alors, comment fonctionne la synthèse laser pulsé dans un liquide ?

• Un laser pulsé est dirigé sur un matériau solide immergé dans un liquide. Cela crée une température élevée, plasma à haute pression près de la surface du solide.
• Au fur et à mesure que le plasma se désintègre, il vaporise des molécules dans le liquide environnant, conduisant à une bulle de cavitation. Dans la bulle, des réactions chimiques commencent à se produire entre les particules du liquide et les particules qui ont subi une ablation, ou lâché, du solide.
• Après des expansions et des contractions périodiques, la bulle de cavitation implose violemment, provoquant des ondes de choc et un refroidissement rapide. Les nanoparticules de la bulle se condensent en petits amas qui sont injectés dans le liquide environnant et deviennent stables.

La technique du laser pulsé dans les liquides offre de multiples avantages par rapport à la synthèse traditionnelle en laboratoire humide de nanomatériaux. Selon Muller :

• Parce que les réactions sont confinées principalement dans la bulle de cavitation, les nanoparticules résultantes ont des propriétés remarquablement uniformes. "Chaque particule qui est faite est créée dans les mêmes conditions, " elle dit.
• Les propriétés des nanoparticules peuvent être facilement affinées en ajustant les impulsions laser et les compositions chimiques du solide et du fluide environnant.
• Les nanocatalyseurs fabriqués au laser sont intrinsèquement plus actifs que ceux obtenus par des méthodes de chimie humide.
• Des nanomatériaux métastables avec des structures et des compositions non équilibrées peuvent facilement être produits. De tels matériaux ne peuvent pas être fabriqués sous des températures et des pressions modérées.
• La synthèse laser peut être contrôlée à distance, accroître le potentiel d'applications industrielles à grande échelle.

La synthèse de nanomatériaux par laser pulsé dans des liquides est également beaucoup plus rapide que les méthodes traditionnelles. La technique peut préparer des quantités en vrac d'une nanoparticule en une heure ou moins. Des matrices systématiques de 70 matériaux peuvent être réalisées en une semaine.

« Ces avantages en font un outil de découverte indispensable, " dit Muller, dont l'expérience comprend le travail dans les lasers, matériaux, et électrocatalyse. "Vous avez souvent des gens qui connaissent les lasers et les matériaux, ou peut-être électrocatalyse et matériaux, mais vous obtenez très rarement quelqu'un avec une expertise dans les trois."

Elle dit, "C'est ce qui nous a poussé à écrire cet article, parce que le groupe Müller peut rassembler les perspectives des trois domaines."

Comment les catalyseurs peuvent lutter contre le changement climatique

Tout en travaillant comme scientifique à Caltech, Müller a été le pionnier d'une adaptation de la technique du laser dans les liquides pour préparer des électrocatalyseurs non précieux de séparation de l'eau qui libèrent l'oxygène de l'eau pour produire de l'hydrogène propre. A Rochester, le groupe Müller étend son expertise pour étudier les électrocatalyseurs fabriqués au laser comme un moyen de transformer le dioxyde de carbone nocif pour le climat (CO 2 ) dans un cycle fermé de combustibles liquides utiles, comme le méthanol ou l'éthanol.

"Si vous deviez à nouveau brûler ces combustibles, tu fais du CO 2 de nouveau, donc tu tournes en rond. Le carbone reste toujours dans le cycle, et ne contribue pas à plus de changement climatique, " dit Müller. "Pour que cela fonctionne, nous avons besoin de catalyseurs, et personne ne sait encore quels seraient ces catalyseurs, qu'est-ce qui fonctionnerait et pourquoi, et pourquoi les autres catalyseurs ne fonctionnent pas."

D'où son intérêt pour l'utilisation de la synthèse laser pulsé dans un liquide pour accélérer le processus. « C'est extrêmement important parce que nous ne pouvons pas simplement nous asseoir et espérer le meilleur avec le changement climatique ; nous devons travailler sur les technologies de remplacement maintenant, " elle dit.

Jusque là, la synthèse par laser pulsé dans un liquide n'a eu qu'une utilisation commerciale limitée. Le coût de démarrage d'un investissement dans la technologie laser est une pierre d'achoppement pour de nombreuses entreprises, dit Muller. "Mais cela changera à mesure que cette méthode gagnera en popularité, " elle croit.

Grâce au laboratoire de Müller, La synthèse du laser pulsé dans les liquides attire certainement de plus en plus l'attention. Dans les trois semaines, leur article était devenu un catalyseur à part entière en étant téléchargé plus de 1, 500 fois.