Représentation de l'installation expérimentale où des nanotiges de palladium reposent sur des nanobarres d'or. Dans cette image, un faisceau d'électrons est dirigé sur l'échantillon pour observer les interactions catalytiques entre les molécules d'hydrogène (en vert) et le catalyseur au palladium. La lumière entraînant l'éclairage est représentée en rouge. Crédit :Katherine Sytwu
Comme une personne qui interrompt une bagarre de chats, le rôle des catalyseurs dans une réaction chimique est d'accélérer le processus et d'en sortir intact. Et, tout comme toutes les maisons d'un quartier n'ont pas quelqu'un prêt à intervenir dans une telle bataille, toutes les parties d'un catalyseur ne participent pas à la réaction. Mais que se passerait-il si l'on pouvait convaincre les parties non engagées d'un catalyseur de s'impliquer ? Les réactions chimiques pourraient se produire plus rapidement ou plus efficacement.
Les scientifiques des matériaux de l'Université de Stanford dirigés par Jennifer Dionne ont fait exactement cela en utilisant des techniques de fabrication et de caractérisation légères et avancées pour doter les catalyseurs de nouvelles capacités.
Dans une expérience de preuve de concept, des tiges de palladium mesurant environ 1/200e de la largeur d'un cheveu humain servaient de catalyseurs. Les chercheurs ont placé ces nanotiges au-dessus de nanobarres d'or qui focalisaient et « sculptaient » la lumière autour du catalyseur. Cette lumière sculptée a modifié les régions des nanotiges où des réactions chimiques, qui libèrent de l'hydrogène, ont eu lieu. Ce travail, publié le 14 janvier dans Science, pourrait être un premier pas vers des catalyseurs plus efficaces, de nouvelles formes de transformations catalytiques et potentiellement même des catalyseurs capables de soutenir plus d'une réaction à la fois.
"Cette recherche est une étape importante dans la réalisation de catalyseurs optimisés de l'échelle atomique à l'échelle du réacteur, " dit Dionne, professeur agrégé de science et d'ingénierie des matériaux qui est l'auteur principal de l'article. « Le but est de comprendre comment, avec la forme et la composition appropriées, nous pouvons maximiser la zone réactive du catalyseur et contrôler les réactions qui se produisent."
Un mini labo
Le simple fait d'observer cette réaction nécessitait un microscope exceptionnel, capable d'imager un processus chimique actif à une échelle extrêmement petite. "Il est difficile d'observer comment les catalyseurs changent dans les conditions de réaction car les nanoparticules sont extrêmement petites, " a déclaré Katherine Sytwu, un ancien étudiant diplômé du laboratoire Dionne et auteur principal de l'article. "Les caractéristiques à l'échelle atomique d'un catalyseur dictent généralement où une transformation se produit, et il est donc crucial de distinguer ce qui se passe dans la petite nanoparticule."
Pour cette réaction particulière - et les expériences ultérieures sur le contrôle du catalyseur - le microscope devait également être compatible avec l'introduction de gaz et de lumière dans l'échantillon.
Pour accomplir tout cela, les chercheurs ont utilisé un microscope électronique à transmission environnemental aux installations nanopartagées de Stanford avec un accessoire spécial, précédemment développé par le laboratoire Dionne, pour introduire la lumière. Comme leur nom l'indique, les microscopes électroniques à transmission utilisent des électrons pour imager des échantillons, qui permet un niveau de grossissement plus élevé qu'un microscope optique classique, et la caractéristique environnementale de ce microscope signifie que du gaz peut être ajouté dans ce qui est autrement un environnement sans air.
"Vous avez essentiellement un mini-laboratoire où vous pouvez faire des expériences et visualiser ce qui se passe à un niveau quasi atomique, " dit Sytwu.
Sous certaines conditions de température et de pression, le palladium riche en hydrogène libérera ses atomes d'hydrogène. Afin de voir comment la lumière affecterait cette transformation catalytique standard, les chercheurs ont personnalisé un nanobarre en or, conçu à l'aide d'équipements des installations de nano-partage de Stanford et de l'installation de nanofabrication de Stanford, pour s'asseoir sous le palladium et agir comme une antenne, collecter la lumière entrante et la canaliser vers le catalyseur à proximité.
"Nous devions d'abord comprendre comment ces matériaux se transforment naturellement. Ensuite, nous avons commencé à réfléchir à la façon dont nous pourrions modifier et contrôler réellement comment ces nanoparticules changent, " dit Sytwu.
Sans lumière, les points les plus réactifs de la déshydrogénation sont les deux pointes de la nanotige. La réaction se déplace ensuite à travers la nanotige, faire jaillir de l'hydrogène en cours de route. Avec lumière, cependant, les chercheurs ont pu manipuler cette réaction pour qu'elle se déplace du milieu vers l'extérieur ou d'une pointe à l'autre. En fonction de l'emplacement du nanobarre d'or et des conditions d'éclairage, les chercheurs ont réussi à produire une variété de points chauds alternatifs.
Rupture de liens et percées
Ce travail est l'un des rares cas montrant qu'il est possible de modifier le comportement des catalyseurs même après leur fabrication. Il ouvre un potentiel important pour augmenter l'efficacité au niveau d'un seul catalyseur. Un seul catalyseur pourrait jouer le rôle de plusieurs, utiliser la lumière pour effectuer plusieurs des mêmes réactions sur sa surface ou augmenter potentiellement le nombre de sites pour les réactions. Le contrôle de la lumière peut également aider les scientifiques à éviter les indésirables, réactions étrangères qui se produisent parfois à côté de celles souhaitées. L'objectif le plus ambitieux de Dionne est de développer un jour des catalyseurs efficaces capables de décomposer le plastique au niveau moléculaire et de le retransformer en sa matière première pour le recyclage.
Dionne a souligné que ce travail, et quoi qu'il arrive ensuite, ne serait pas possible sans les installations et les ressources partagées disponibles à Stanford. (Ces chercheurs ont également utilisé le Stanford Research Computing Center pour effectuer leur analyse de données.) La plupart des laboratoires ne peuvent pas se permettre d'avoir eux-mêmes cet équipement de pointe, le partage augmente donc l'accès et l'assistance d'experts.
"Ce que nous pouvons apprendre sur le monde et comment nous pouvons permettre la prochaine grande percée est rendu si critique par les plateformes de recherche partagées, " dit Dionne, qui est également vice-recteur associé principal pour les plateformes de recherche/installations partagées. « Ces espaces offrent non seulement des outils critiques, mais une communauté de chercheurs vraiment incroyable."
