Croquis d'un nanoréacteur de type coquille jaune :les réactifs A et B diffusent à travers la coquille et réagissent en C au niveau de la nanoparticule catalytiquement active (jaune). Crédit :HZB
Les physiciens théoriciens ont conçu un modèle mathématique de deux molécules différentes réagissant dans des nanoréacteurs qui agissent comme des catalyseurs. Ils ont acquis de nouvelles connaissances surprenantes sur les facteurs qui favorisent les réactions et sur la manière de les contrôler et de les sélectionner. Le modèle est pertinent pour un large éventail de domaines de recherche, de la biophysique aux matériaux énergétiques.
Les nanoréacteurs sont de minuscules systèmes qui facilitent des réactions chimiques spécifiques, comme le fait un catalyseur. Beaucoup se trouvent dans les systèmes biologiques, comme certaines protéines. Mais les chimistes sont également capables de synthétiser des nanoréacteurs artificiels pour contrôler les réactions chimiques. Une classe importante de ces nanoréacteurs a une architecture « jaune et coquille » comme un œuf :une nanoparticule métallique catalytiquement active est entourée d'une coquille constituée d'un réseau polymérique. Ces types de nanoréacteurs peuvent créer des environnements isolés pour des réactions spécifiques et les restreindre au minuscule espace à l'intérieur de la coque.
La description mathématique offre de nouvelles perspectives
"Nous avons maintenant décrit mathématiquement pour la première fois comment deux molécules différentes sont transportées pour réagir dans des nanoréacteurs. Le nouveau modèle montre clairement quels facteurs favorisent une réaction donnée", dit le Dr Rafael Roa. Roa est le premier auteur de la publication en Catalyse ACS et un post-doctorant dans le groupe dirigé par le professeur Joe Dzubiella à l'Institut HZB pour la matière molle et les matériaux fonctionnels.
Ce qui compte le plus?
Certains résultats sont surprenants :contrairement aux attentes, la vitesse de réaction n'est pas tellement limitée par la concentration des molécules en solution, mais surtout par la perméabilité de l'enveloppe du nanoréacteur. "C'est extrêmement intéressant car les chimistes d'aujourd'hui peuvent souvent affiner voire modifier la perméabilité de ces coquilles à des molécules spécifiques via des variations de température ou d'autres paramètres", explique le co-auteur, le Dr Won Kyu Kim.
Les réactifs A et B diffusent à travers la coque et réagissent au produit C au niveau de la nanoparticule catalytiquement active (jaune) à l'intérieur. Crédit :HZB
Photo-activation prise en compte
Le nouveau modèle est un grand pas en avant par rapport à l'ancienne théorie élaborée plusieurs décennies plus tôt et qui ne pouvait gérer qu'une seule molécule. « Notre modèle est applicable à la recherche sur les matériaux énergétiques, et il peut même prendre en compte la photo-activation d'une des molécules de la coquille par la lumière solaire", déclare Dzubiella. Il a atteint avec ce travail l'un des objectifs de sa bourse de consolidation du Conseil européen de la recherche (ERC) (2015-2020).
Les prédictions seront mises à l'épreuve
Le groupe de théorie de la matière molle de Dzubiella collabore avec le chimiste HZB, le professeur Yan Lu, un expert reconnu des nanoréacteurs synthétiques. Ils sont impatients de tester leurs prédictions théoriques sur des systèmes réels. « Nous sommes maintenant en mesure de mieux comprendre ce qui se passe, et nous nous attendons à prédire comment les effets catalytiques de ces types de nanoréacteurs peuvent être contrôlés - grâce à des boucles de rétroaction, par exemple, qui arrêtera ou démarrera la réaction à volonté."
