En examinant de minuscules particules d'or avec de puissants faisceaux de rayons X, les scientifiques espèrent pouvoir apprendre à réduire les émissions nocives de monoxyde de carbone des véhicules à moteur.

Le monoxyde de carbone est un incolore, gaz inodore et dangereux produit par les voitures, camions et autres véhicules qui brûlent des combustibles fossiles. Les systèmes d'échappement utilisent un convertisseur catalytique pour transformer ce monoxyde de carbone en dioxyde de carbone non toxique, mais selon l'Environmental Protection Agency des États-Unis, les véhicules à essence sont la principale source d'émissions de monoxyde de carbone dans l'atmosphère, à l'abondance des gaz à effet de serre dans l'air.

Les scientifiques du monde entier s'efforcent de réduire ces émissions, et une façon de le faire est d'en apprendre davantage sur les réactions chimiques qui se produisent à l'intérieur du système d'échappement. Ces réactions utilisent souvent l'or comme catalyseur. Alors que de grandes quantités d'or sont inertes, de minuscules particules de celui-ci sont un catalyseur actif dans l'oxydation du monoxyde de carbone, une réaction qui le transforme en dioxyde de carbone.

Aline Passos et Florian Meneau étudient cette réaction depuis des années. Tous deux travaillent au Laboratoire brésilien de lumière synchrotron (LNLS), Passos comme chimiste et Meneau comme physicien. Ensemble, ils dirigent une équipe de recherche qui a récemment utilisé les rayons X ultra-brillants de l'Advanced Photon Source (APS), une installation d'utilisateurs du bureau des sciences du département de l'Énergie des États-Unis (DOE) au laboratoire national d'Argonne du DOE, pour illuminer de minuscules particules d'or car elles catalysaient une réaction similaire à celle qui se produit à l'intérieur du pot d'échappement d'une voiture. Les résultats de cette recherche ont été publiés dans Communication Nature .

« Si nous pouvons mieux comprendre comment fonctionne cette catalyse, nous pouvons l'optimiser et l'améliorer, " a déclaré Passos. " Si nous pouvons mieux concevoir les catalyseurs, nous pouvons contrôler ou limiter le monoxyde de carbone."

Les propriétés de cette réaction sont bien connues, Passos et Meneau ont dit, mais étudier la réaction d'une seule petite particule d'or lorsqu'elle subit cette réaction est un nouveau territoire scientifique, et uniquement possible grâce à la technologie disponible à l'APS.

Pour mener cette expérience, Passos a synthétisé des nanoparticules d'or, environ 60 nanomètres de diamètre. (Pour l'échelle, une feuille de papier vaut environ 100, 000 nanomètres d'épaisseur.) Elle les a construits en deux formes, sphères et cubes, et introduit des défauts chimiques sur certaines particules, changer légèrement la structure atomique pour voir si cela affectait la façon dont ils catalysaient la réaction.

"Les atomes dans différentes positions changent, et ils modifient les propriétés électroniques et chimiques, " a dit Meneau. " C'est bien connu comment faire ça. Mais nous n'avions pu examiner auparavant que l'étape de catalyse. Nous n'avons pas été en mesure d'observer ce qui change à l'intérieur d'une seule particule au cours de la réaction."

Pour y parvenir, l'équipe brésilienne a ensuite amené ces particules sur la ligne 34-ID-C de l'APS, qui se spécialise dans ce que l'on appelle les expériences d'imagerie « in situ ». Cela signifie que les faisceaux de rayons X APS peuvent être utilisés pour prendre des photos d'échantillons pendant qu'ils subissent des réactions - changements de température, par exemple, ou une pression accrue, en temps réel. Dans ce cas, les scientifiques ont utilisé les nanoparticules d'or pour oxyder le monoxyde de carbone et ont capturé les changements dans la structure cristalline des particules au fur et à mesure de la réaction.

Wonsuk Cha, un assistant physicien avec la division des sciences des rayons X (XSD) d'Argonne et un co-auteur de l'article, travaille depuis des années sur des expériences in situ sur cette ligne de lumière. Le défi, il dit, a développé des chambres pour les expériences qui sont compatibles avec la technique d'imagerie.

« L'un des défis est la petite taille des échantillons avec lesquels nous travaillons, " Il a dit. " La taille du faisceau est généralement de 500 nanomètres de large, et nous avons mis au point des techniques pour surveiller la position de l'échantillon dans le faisceau, ce qui permet à l'expérience de continuer."

La technique utilisée dans cette expérience est appelée imagerie cohérente par diffraction des rayons X (CDI), et Ross Harder, un physicien avec XSD, est le développeur principal de l'instrumentation pour cette technique à Argonne depuis 2008. Pour les expériences CDI, le faisceau de rayons X diffracte l'échantillon et projette un motif d'informations sur un détecteur, et des algorithmes informatiques sont ensuite utilisés pour interpréter ces informations et construire une image à partir de celles-ci.

"Nous pouvons voir des images à l'échelle nanométrique que nous ne pouvons pas voir avec une lumière ordinaire, " Harder a dit. " Il n'y a qu'une poignée de sources lumineuses dans le monde capables de faire cette expérience. "

Le résultat, Méneau a dit, est une nouvelle image de la façon dont ces nanoparticules subissent des réactions catalytiques. L'image qui a émergé est une carte de la contrainte dans la particule - une mesure du changement de forme lorsque l'échantillon subit une contrainte - aux coins et aux bords, montrant que ces parties des nanoparticules sont les plus impliquées dans la catalyse.

Les données montrent également que la souche peut être affectée par des changements chimiques induits, et que les nanoparticules de forme et de taille identiques ne subissent pas cette réaction de la même manière. Cela signifie que la réaction elle-même peut potentiellement être modifiée au niveau chimique en modifiant le catalyseur.

Bien que les échantillons de la taille utilisée dans cette expérience puissent sembler petits, la taille typique d'un catalyseur à l'or dans les applications industrielles est de cinq nanomètres d'épaisseur, environ la largeur de deux brins d'ADN humain. Passos et Meneau ont déclaré que la prochaine étape de leur recherche consiste à la réduire, dans le but de capturer la réaction catalytique dans des échantillons de plus en plus petits.

Un projet de mise à niveau massif en cours à l'APS permettra cette réduction d'échelle, ils ont dit, tout comme la nouvelle source lumineuse du LNLS, Sirius, qui devrait être mis en ligne en 2021. La mise à niveau APS augmentera la luminosité et le flux cohérent de 100 à 1, 000 fois par rapport à l'APS actuel, ce qui améliorera la qualité des images de diffraction.

"Soixante nanomètres, c'est bien trop grand pour l'industrie, " Meneau dit, "mais la mise à niveau APS nous permettra d'étudier des échantillons plus petits. Les nouvelles machines peuvent le faire."