Être de la bonne taille et exister dans les limbes entre un état solide et un état liquide semblent être les secrets pour améliorer l'efficacité des catalyseurs chimiques qui peuvent créer de meilleures nanoparticules ou des sources d'énergie plus efficaces.

Quand la matière est dans cet état transitoire, un catalyseur peut atteindre son plein potentiel avec la bonne combinaison de taille de particule de catalyseur et de température, selon une paire de chercheurs de l'Université Duke. Un catalyseur est un agent ou un produit chimique qui facilite une réaction chimique. On estime que plus de 90 pour cent des procédés chimiques utilisés par l'industrie impliquent des catalyseurs à un moment donné.

Cette découverte pourrait avoir de larges implications dans presque toutes les réactions à base de catalyseur, selon un ingénieur et un chimiste de Duke qui ont rapporté leurs découvertes en ligne dans le journal de l'American Chemical Society ACS-Nano . L'équipe a découvert que le rapport surface/volume de la particule de catalyseur - sa taille - est plus important qu'on ne le pense généralement.

"Nous avons découvert que la plus petite taille d'un catalyseur conduira à une réaction plus rapide que si la masse, ou plus grand, version du même catalyseur est utilisée, " a déclaré Stefano Curtarolo, professeur agrégé au Département de génie mécanique et sciences des matériaux.

"C'est en plus de l'excès habituel de surface dans les nanoparticules, " dit Curtarolo, qui a proposé la base théorique des résultats il y a trois ans et les a vus confirmés par une série d'expériences complexes menées par Jie Liu, Duc professeur de chimie.

"Cela ouvre un tout nouveau domaine d'étude, étant donné que l'état thermocinétique du catalyseur n'a pas été auparavant considéré comme un facteur important, " a déclaré Curtarolo. " C'est à première vue paradoxal. C'est comme dire si une voiture consomme moins d'essence (une particule plus petite), ça ira plus vite et plus loin."

Leur série d'expériences a été menée à l'aide de nanotubes de carbone, et les scientifiques pensent que les mêmes principes qu'ils ont décrits dans l'article s'appliquent à tous les processus catalytiques.

Liu a prouvé l'hypothèse de Curtarolo en développant une nouvelle méthode pour mesurer non seulement la longueur des nanotubes de carbone en croissance, mais aussi leurs diamètres. Les nanotubes sont des structures tubulaires microscopiques "en forme de maille" qui sont utilisées dans des centaines de produits, comme les textiles, cellules solaires, transistor, filtres anti-pollution et gilets pare-balles.

"Normalement, les nanotubes se développent à partir d'une surface plane de manière non organisée et ressemblent à une assiette de spaghettis, il est donc impossible de mesurer un tube individuel, " a déclaré Liu. "Nous avons pu les cultiver en brins parallèles individuels, ce qui nous a permis de mesurer le taux de croissance ainsi que la durée de la croissance."

En faisant croître ces nanotubes en utilisant différentes tailles de particules de catalyseur et à différentes températures, Liu a pu déterminer le "sweet spot" auquel les nanotubes ont poussé le plus rapidement et le plus longtemps. Comme ça s'est apparu, cela s'est produit lorsque la particule était dans son état visqueux, et que plus petit valait mieux que plus grand, exactement comme prévu auparavant.

Ces mesures ont fourni le fondement expérimental de l'hypothèse de Curtarolo selon laquelle, étant donné une température particulière, Les nanoparticules plus petites sont plus efficaces et efficientes par unité de surface que les catalyseurs plus gros du même type lorsqu'elles résident dans cette dimension entre le solide et le liquide.

"Typiquement, dans ce domaine, les résultats expérimentaux priment, et l'explication vient plus tard, " dit Liu. " Dans ce cas, ce qui est inhabituel, nous avons pris l'hypothèse et avons pu développer une méthode pour la prouver correcte en laboratoire."