Une équipe de chercheurs en énergie de l'Université du Minnesota et de l'Université du Massachusetts Amherst a découvert que le mouvement moléculaire peut être prédit avec une grande précision lors du confinement de molécules dans de petites nanocages. Leur méthode théorique est adaptée au criblage de millions de nanomatériaux possibles et pourrait améliorer la production de carburants et de produits chimiques.

La recherche est publiée en ligne dans ACS Science centrale , un important journal en libre accès de l'American Chemical Society.

Les molécules dans l'air sont libres de se déplacer, vibrer et culbuter, mais les confiner dans de petits nanotubes ou cavités et ils perdent beaucoup de mouvement. La perte totale de mouvement a de grandes implications pour la capacité à capturer le CO2 de l'air, convertir des molécules de biomasse en biocarburants, ou pour séparer le gaz naturel, qui utilisent tous des nanomatériaux avec de petits tubes et pores.

Des chercheurs du Catalysis Center for Energy Innovation dont le siège est à l'Université du Delaware sont arrivés à leur percée en pensant à presser des molécules dans des espaces restreints. Dans l'air, les molécules peuvent monter, vers le bas, et dans l'espace (trois dimensions), mais dans un nanotube, il n'était pas clair si les molécules ne peuvent se déplacer que dans une direction (à travers le tube) ou dans deux directions (sur la surface du tube). De la même manière, les molécules peuvent tourner et tourner de trois manières, mais les bords du tube peuvent empêcher tout ou partie de ce mouvement. La quantité de rotation perdue était la quantité inconnue.

"Notre approche était de séparer le tumbling moléculaire et la rotation du mouvement en position, " a déclaré Omar Abdelrahman, co-auteur de l'étude, professeur adjoint en génie chimique à l'Université du Massachusetts Amherst et chercheur au Catalysis Center for Energy Innovation. "Nous avons découvert que toutes les molécules lorsqu'elles sont placées dans des nano-cages perdent la même quantité de mouvement en position, mais la quantité de rotation et de rotation dépendait fortement de la structure de la nano-cage".

L'équipe a relié le mouvement moléculaire à la quantité d'entropie, qui combine tous les aspects du mouvement moléculaire en un seul nombre. Les molécules perdent différentes quantités d'entropie lorsqu'elles accèdent à l'intérieur d'espaces nanoporeux, mais il n'a pas été clair comment la structure de ces nanoespaces a eu un impact sur le changement de mouvement et la perte d'entropie.

"Cela peut sembler ésotérique, mais les changements d'entropie des molécules dus aux limitations de rotation et de mouvement en position dans les nanopores décident si les nanomatériaux fonctionneront pour des milliers de technologies d'énergie et de séparation, " a déclaré Paul Dauenhauer, un co-auteur de l'étude qui est professeur agrégé de génie chimique et de science des matériaux à l'Université du Minnesota et chercheur au Catalysis Center for Energy Innovation.

"Si nous pouvons prédire le mouvement moléculaire et l'entropie des molécules, nous pourrons alors déterminer rapidement si les nanomatériaux avancés résoudront nos défis énergétiques les plus urgents, " a ajouté Dauenhauer.

La capacité de prédire l'entropie et le mouvement moléculaire est liée au récent boom de la nanotechnologie. Dans la dernière décennie, la recherche sur les nanomatériaux a développé des millions de nouvelles technologies qui peuvent saisir, séparer et faire réagir les hydrocarbures du gaz naturel et de la biomasse. Cependant, chacun de ces milliers de nanomatériaux a une taille et une forme différentes, et il a été trop coûteux et chronophage de tester ces nanomatériaux avancés un par un.

"Cette découverte ouvre vraiment la porte pour prédire quels nanomatériaux seront la percée du futur, " dit Dionisios Vlachos, le directeur du Catalysis Center for Energy Innovation et professeur à l'Université du Delaware. "Nous avons inventé plus de matériaux sur l'ordinateur que nous ne pourrons jamais tester, et maintenant nous pouvons déterminer rapidement sur l'ordinateur si ceux-ci fonctionneront pour nos besoins d'énergie et de séparation."

L'accent mis sur la prédiction du mouvement moléculaire dans les nanomatériaux s'appuie sur l'accent mis par le Catalysis Center for Energy Innovation sur la conception de catalyseurs pour convertir les hydrocarbures dérivés de la biomasse en biocarburants et produits biochimiques. L'équipe a récemment découvert une nouvelle classe de nanomatériaux appelés "SPP" ou "pentasils auto-piliers, " qui sont des nanomatériaux de zéolite pour la réaction et la séparation des hydrocarbures. Le SPP et d'autres nanostructures ont également été les matériaux clés dans la découverte de procédés chimiques pour fabriquer du plastique renouvelable pour les bouteilles de soda et du caoutchouc renouvelable pour les pneus d'automobile.

La découverte d'une équation pour prédire le mouvement moléculaire dans les nanomatériaux fait partie d'une mission plus large du Catalysis Center for Energy Innovation, un centre de recherche du département américain de l'Énergie-Energy Frontier Research, dirigé par l'Université du Delaware. Initié en 2009, le Centre de catalyse pour l'innovation énergétique s'est concentré sur la technologie catalytique transformationnelle pour produire des produits chimiques renouvelables et des biocarburants à partir de la biomasse lignocellulosique (non alimentaire).