Lorsque l'Amplex Red se connecte à un catalyseur en or, la structure est modifiée pour former une molécule fluorescente qui émet immédiatement un éclair de lumière, montrant où l'événement catalytique a eu lieu. Droit, microphotographie électronique d'une seule nanotige en or, enfermé dans une coquille de silice poirus. La coque empêche les tiges de s'agglomérer et permet aux expérimentateurs d'utiliser la chaleur pour nettoyer un revêtement qui se forme lorsque les tiges sont créées. Image :Laboratoire Chen
Les ingénieurs qui tentent d'améliorer les catalyseurs des piles à combustible ne cherchent peut-être pas au bon endroit, selon de nouvelles recherches à Cornell.
Il existe un intérêt croissant pour la formation de catalyseurs qui décomposent le carburant pour générer de l'électricité en nanoparticules. Les nanoparticules offrent une plus grande surface pour accélérer les réactions, et dans certains cas, les matériaux qui ne sont pas catalytiques en masse le deviennent à l'échelle nanométrique.
Ces nanoparticules, généralement quelques dizaines de nanomètres (nm) de large, ne sont pas de jolies petites sphères, mais plutôt des morceaux déchiquetés, comme du gravier microscopique, et les chercheurs ont découvert qu'ils peuvent corréler l'activité catalytique avec des informations sur le nombre et le type de leurs facettes de surface. Mais ils peuvent regarder la forêt et ignorer les arbres.
"Les gens mesurent l'activité d'un échantillon et essaient ensuite de comprendre en utilisant des informations de facettes, " dit Peng Chen, professeur agrégé de chimie et de biologie chimique. "Le message que nous voulons faire passer est que les défauts de surface [sur les facettes] dominent la catalyse."
Les recherches de Chen sont rapportées le 19 février dans l'édition en ligne du journal Nature Nanotechnologie .
Au lieu de particules, Le groupe de recherche de Chen a étudié les événements catalytiques sur des « nanotiges » d'or jusqu'à 700 nm de long, leur permettant efficacement de voir comment l'activité varie sur une seule facette. L'or agit comme un catalyseur pour convertir un produit chimique appelé Amplex Red en résorufine, qui est fluorescent.
Chaque fois qu'un événement catalytique se produit, la molécule nouvellement créée de résorufine émet un flash de lumière qui est détecté par un appareil photo numérique regardant à travers un microscope. Un flash apparaît généralement sous la forme de plusieurs pixels, et un traitement informatique supplémentaire fait la moyenne de leur luminosité pour localiser l'événement réel à quelques nanomètres près. Les chercheurs appellent la technique "microscopie à super-résolution". Après avoir inondé un champ de nanotiges avec une solution d'Amplex Red, ils ont fait un "film" avec une image toutes les 25 millisecondes.
Les chercheurs ont trouvé plus d'événements catalytiques près du milieu d'une tige, se rétrécissant vers les extrémités et un saut vers les extrémités. Ils ont également trouvé une variation dans la quantité d'activité d'une tige à l'autre, même si toutes les tiges ont les mêmes types de facettes.
Pour expliquer les résultats, ils ont proposé que l'activité soit plus élevée dans les zones où il y a plus de défauts de surface. Les nanotiges sont fabriquées en faisant pousser des cristaux d'or à partir d'un petit cristal "graine", croissant vers l'extérieur du centre aux extrémités, Chen a expliqué, et plus de défauts se forment au début du processus.
"La connaissance des facettes de surface... est insuffisante pour prédire la réactivité, ", ont déclaré les chercheurs dans leur article. "Les défauts de surface … peuvent également jouer un rôle dominant."
Les découvertes avec un catalyseur d'or et des molécules fluorescentes devraient être également applicables à d'autres catalyseurs, y compris ceux utilisés dans les piles à combustible et pour la dépollution, dit Chen.
