Changez la face des nanoparticules et vous régnerez sur la chimie ! Selon l'éclairage, les surfaces des nanoparticules convenablement conçues peuvent changer leur topographie. Des chercheurs de l'Institut de chimie physique de l'Académie polonaise des sciences ont montré que le mécanisme moléculaire qu'ils ont conçu permet de découvrir ou de masquer efficacement des molécules de catalyseur à l'aide de la lumière. La technique qu'ils présentent conduit à des possibilités qualitativement nouvelles pour contrôler le cours des réactions chimiques.

En utilisant des nanoparticules dont les surfaces changent d'apparence sous l'influence de la lumière, il est possible de contrôler facilement et précisément le déroulement de pratiquement toutes les réactions chimiques catalytiques, y compris ceux avec de nombreuses étapes. Élément clé de la nouvelle technique, développé et démontré par des chercheurs de l'Institut de chimie physique de l'Académie polonaise des sciences (IPC PAS) à Varsovie, est le mécanisme de masquage géométrique des centres catalytiques actifs à la surface des nanoparticules. Cette classe de nouveau, des matériaux intelligents en matière molle et dure, décrit dans la prestigieuse revue chimique Catalyse ACS , annonce un changement qualitatif dans le domaine des réactions catalytiques industrielles et constitue une étape importante dans la conception de systèmes chimiques imitant les caractéristiques les plus importantes des organismes vivants.

Un catalyseur est une substance qui provoque une réaction entre des composés chimiques spécifiques, y participer activement et revenir en grande partie à son état d'origine après son achèvement. De nos jours, les catalyseurs sont généralement conçus pour optimiser les réactions catalysées et réduire la consommation de catalyseur. L'attention est portée, entre autres, à leur sélectivité, C'est, leur capacité à en accélérer un, réaction choisie avec précision. Cependant, il n'y a pas de grand contrôle sur les catalyseurs construits de cette manière. Après introduction dans la solution, ils agissent généralement immédiatement jusqu'à ce que la réaction s'arrête.

L'un des outils les plus pratiques qui peuvent être utilisés pour influencer les composés chimiques dans les solutions sont les ondes lumineuses avec des énergies adaptées aux propriétés du système particulier. La lumière peut être facilement introduite dans tout le volume du liquide, et en général il n'interfère pas avec le déroulement des réactions catalytiques elles-mêmes. Maintenant, il s'avère que le système chimique peut être conçu de telle sorte que, selon l'éclairage, il catalyse ou non diverses réactions chimiques.

Le concept de contrôle léger de l'activité du catalyseur, proposé par les chimistes de l'IPC PAS, est plus facile à comprendre en faisant une analogie avec les tournesols. Ce sont des plantes à long, tiges raides, au bout duquel se trouve un lourd panier de graines. Au cours de la journée, la tête du tournesol est toujours dirigée vers la lumière, C'est, vers le haut, ce qui lui permet d'attirer les insectes et les oiseaux. Quand la nuit tombe, cependant, la tête ne s'enroule pas comme les autres fleurs. A sa base, la tige se plie juste, le panier tombe et toute l'inflorescence cesse d'être accessible.

"Notre complexe moléculaire clé se comporte comme des tournesols, seulement à l'échelle moléculaire. Le sol sur lequel poussent nos « tournesols » est la nanoparticule d'or, la tige - une longue molécule de ligand organique, le fragment de courbure - un photo-interrupteur qui change de forme sous l'influence de la lumière. Le panier est le catalyseur lui-même. La seule différence est que nos 'tournesols' sont un peu... timides .Ils cachent leurs têtes catalytiques quand il fait clair autour d'eux et ils les élèvent quand il fait noir, " explique le Dr Volodymyr Sashuk (IPC PAS).

Dans les années récentes, les scientifiques de l'IPC PAS ont non seulement développé le concept d'une méthode innovante de contrôle de la catalyse, mais aussi testé en pratique, construire un vrai, système chimique modèle. Il a été construit à l'aide de nanoparticules d'or de trois nanomètres et d'un des catalyseurs les plus simples :un acide aminé appelé proline. La méthode elle-même, cependant, n'impose aucune restriction particulière, donc potentiellement tout autre catalyseur peut être utilisé, le transformant fonctionnellement en un variant dont l'activité est contrôlée au moyen de la lumière.

"La production de nanoparticules recouvertes de ligands avec des particules de catalyseur attachées n'est pas particulièrement difficile, Cela fait, cependant, nécessitent un peu de soin et d'attention. Par exemple, les proportions entre le nombre de ligands avec une molécule de catalyseur et le nombre de ligands sans elle sont importantes. S'il y a trop de ligands vides, les molécules de catalyseur n'auront nulle part où se cacher physiquement, et nous pouvons oublier le contrôle, " déclare Magdalena Szewczyk, doctorante (IPC PAS).

Les nanoparticules contrôlées par la lumière catalysant des réactions chimiques promettent une nouvelle phase dans le développement de la catalyse. Jusqu'ici, les réactions catalytiques ont été typiquement réalisées dans une solution contenant les substrats nécessaires et un seul catalyseur. Maintenant, de nouvelles opportunités apparaissent. Potentiellement, la même solution peut contenir des substrats pour des réactions catalytiques à plusieurs étages et une gamme de catalyseurs, chacun activé avec la lumière à des moments appropriés. Par conséquent, plusieurs réactions de composants produisant les produits chimiques nécessaires aux étapes ultérieures d'un processus technologique, auquel la nouvelle réaction serait déclenchée après l'arrêt des réactions précédentes, pourrait avoir lieu dans un seul navire à la fois. Mais ce ne sont pas les seuls avantages de la nouvelle solution.

"Jusqu'à maintenant, après la réaction, les chimistes se sont retrouvés avec une solution contenant à la fois le produit et le catalyseur. La suppression de ces derniers était souvent associée à la nécessité de développer des étapes technologiques supplémentaires. Dans notre méthode, le catalyseur est déposé sur des nanoparticules. Potentiellement, ces particules peuvent être ajustées pour qu'elles réagissent, par exemple, à un champ magnétique. Après avoir terminé la réaction, il suffirait d'attirer les nanoparticules au fond de la cuve, où ils pourraient être facilement séparés du produit lui-même, " note le doctorant Grzegorz Sobczak (IPC PAS).

L'avenir du multi-étages, la catalyse précisément contrôlée par la lumière s'annonce intéressante. Les mélanges multi-composants de nouvelle génération pourraient, par exemple, durcir uniquement à la demande de l'utilisateur, ainsi il serait possible de remplir toutes sortes de moules, formes même très complexes, plus précisément. Une solution populaire sera probablement des adhésifs polymères multi-composants pratiques, immédiatement livré dans un mélange, forme prête à étaler. Ce ne sont là que quelques-unes des idées envisagées aujourd'hui. Les chercheurs de l'IPC PAS sont toujours à la recherche d'idées sur la façon dont leur concept pourrait se traduire en applications spécifiques.