(Phys.org) - La production d'énergie durable nécessite des matériaux dotés de propriétés physiques et chimiques spécifiques qui sont contrôlées par la taille et la charge électrique des petites particules métalliques, et les scientifiques du Pacific Northwest National Laboratory ont découvert comment contrôler avec précision les deux propriétés. Les catalyseurs solides sont généralement constitués de minuscules amas métalliques dispersés sur un matériau de support. Pour mieux répartir les clusters sur le support, une couche de molécules « filandreuses » peut être utilisée pour attacher les grappes à la surface. L'équipe du PNNL a découvert que les propriétés de ces cordes contrôlent le nombre de charges portées par les clusters catalytiques dispersés au sommet de la couche.
"Lorsque vous développez des catalyseurs, les frais sont importants, " a déclaré le Dr Julia Laskin, un physico-chimiste du PNNL qui a dirigé cette recherche. "Nous avons besoin de meilleurs outils pour mesurer les états de charge des molécules catalytiques sur les surfaces."
Les catalyseurs sont des matériaux complexes conçus pour augmenter l'efficacité et réduire les déchets associés à la création de produits tels que les carburants, plastiques et produits pharmaceutiques. L'amélioration des catalyseurs peut permettre de fabriquer des carburants et d'autres matériaux avec moins d'énergie et moins de déchets. Les catalyseurs solides actuels qui agissent sur des réactifs liquides ou gazeux sont souvent composés de nanoparticules métalliques mal définies dispersées de manière aléatoire sur des supports de grandes surfaces. En revanche, la prochaine génération de catalyseurs sera formulée à partir d'assemblages contrôlés à mésoéchelle d'amas métalliques dont les propriétés dépendent du nombre d'atomes métalliques et de l'état de charge. Pour assembler des clusters métalliques bien définis dans des structures à mésoéchelle pour la catalyse, il faut des techniques qui permettent un contrôle précis de la taille, état de charge, et la densité des amas métalliques sur les surfaces.
"Notre approche permet un contrôle atome par atome de la taille et un contrôle électron par électron de l'état de charge des amas métalliques sur les surfaces, " a déclaré le Dr Grant Johnson, un physico-chimiste impliqué dans l'étude et ancien boursier Linus Pauling qui a récemment rejoint le Laboratoire en tant que scientifique à temps plein.
Lors de la conception de catalyseurs ou d'autres matériaux liés à l'énergie, une approche de cuisinier et de look est souvent utilisée. Les scientifiques prennent des matériaux et des combinaisons probables, faire preuve d'expertise et d'intuition, et synthétiser les nouveaux matériaux nécessaires. Ce processus est coûteux et prend du temps. Des connaissances fondamentales et un contrôle atomiquement précis sont nécessaires pour concevoir rationnellement les matériaux que les scientifiques souhaitent. Entrez dans l'équipe PNNL.
La recherche se déroule en deux parties :la synthèse des clusters métalliques et l'atterrissage en douceur des clusters de taille sélectionnée sur les surfaces. Les amas utilisés dans l'étude sont des ions positifs triplement chargés (+3) de moins de 1 nanomètre de diamètre. Ils contiennent exactement 11 atomes d'or.
"Le plus grand défi n'était pas la synthèse, mais la caractérisation - découvrir combien de charges les clusters conservent après leur atterrissage en douceur sur les surfaces, " dit Thomas Priest, un stagiaire de premier cycle qui a travaillé sur l'étude. "C'est assez excitant d'observer à quel point ils sont différents en fonction des propriétés de la surface." Prêtre, qui était le deuxième auteur de deux articles de revues décrivant les recherches effectuées au cours de son stage, synthétisé les solutions d'amas d'or. Priest travaille actuellement sur sa maîtrise en ingénierie à l'Université de Louisville.
Les surfaces sur lesquelles les amas d'or ont été déposés sont une base d'or avec une monocouche de molécules contenant une chaîne hydrocarbonée et terminée par différents groupes fonctionnels, tels que -CH
L'effet tunnel d'électrons à travers la couche a un effet important sur la charge des ions d'amas à charges multiples déposées en douceur sur la surface. Par exemple, lorsqu'une monocouche hydrocarbonée faiblement polaire est utilisée, les amas d'or 3+ à atterrissage doux gagnent jusqu'à trois électrons de la surface, devenant ainsi neutre. En revanche, sur la surface fluorée hautement polaire, les amas d'or gardent leur charge 3+, n'obtenant aucun électron de la surface. Les molécules polaires dans la monocouche introduisent un dipôle d'interface, essentiellement une barrière de charge entre la surface et l'amas.
Suite à cette découverte, les chercheurs ont ensuite cherché à savoir si le fait de recouvrir la surface d'une couche plus dense d'amas d'or à charges multiples modifiait les charges des amas. Du point de vue de la charge, tout le résultat a soudainement changé. Sur la surface à base de fluor dans les expériences précédentes, tous les clusters ont conservé leur charge +3. Maintenant, la surface avait un centre d'amas d'or avec une charge +1 et, sur les bords, les grappes étaient principalement +2 et +3.
Pourquoi est-ce arrivé?
"Le plus grand nombre d'amas à charges multiples déposés à la surface a accumulé un potentiel suffisant pour permettre aux électrons de la surface de pénétrer dans les amas d'or, réduisant ainsi leur état de charge, " a expliqué Johnson. "Comprendre comment ces barrières tunnel se brisent donne aux scientifiques les connaissances dont ils ont besoin pour contrôler les charges des matériaux."
Laskin et Johnson utilisent maintenant ces connaissances pour préparer des réseaux spécialisés à mésoéchelle d'amas métalliques bien définis sur des surfaces. Ces réseaux pourraient avoir des applications dans les piles à combustible, et des sources d'énergie efficaces.
