Des convertisseurs catalytiques plus efficaces sur les automobiles, des batteries améliorées et des capteurs de gaz plus sensibles sont quelques-uns des avantages potentiels d'un nouveau système qui peut mesurer directement la manière dont les nanocristaux adsorbent et libèrent de l'hydrogène et d'autres gaz.

La technique, qui a été développé par Rizia Bardhan, professeur adjoint de génie chimique et biomoléculaire à l'Université Vanderbilt, est décrit dans un article publié en ligne le 4 août par la revue Matériaux naturels .

Au cours des 30 dernières années, il y a eu une énorme quantité de recherches sur les nanocristaux - de minuscules cristaux d'une taille comprise entre un et 100 nanomètres (un nanomètre est à un pouce ce qu'un pouce est à 400 miles) - en raison de l'attente qu'ils ont des propriétés physiques et chimiques uniques qui peut être utilisé dans une large gamme d'applications.

Une classe d'applications dépend de la capacité des nanocristaux à capter des molécules et des particules spécifiques dans l'air, les retenir puis les relâcher :un processus appelé adsorption et désorption. Les progrès dans ce domaine ont été entravés par les limites des méthodes existantes pour mesurer les changements physiques et chimiques qui se produisent dans les nanocristaux individuels au cours du processus. Par conséquent, les progrès ont été réalisés par essais et erreurs et se sont limités à des échantillons techniques et à des géométries spécifiques.

"Notre technique est simple, direct et utilise des instruments standard afin que les autres chercheurs n'aient aucune difficulté à l'utiliser, " a déclaré Bardhan. Les collaborateurs au développement étaient le professeur adjoint de génie mécanique Vanderbilt Cary Pint, Ali Javey de l'Université de Californie, Berkeley et Lester Hedges, Stephen Whitelam et Jeffrey Urban du Lawrence Berkeley National Laboratory.

La méthode est basée sur une procédure standard appelée spectroscopie de fluorescence. Un faisceau laser est focalisé sur les nanocristaux cibles, provoquant leur fluorescence. Comme les nanocristaux adsorbent les molécules de gaz, la force de leurs intensités fluorescentes et à mesure qu'ils libèrent les molécules de gaz, il récupère.

"L'effet de fluorescence est très subtil et très sensible aux différences de taille des nanocristaux, " a-t-elle expliqué. " Pour le voir, vous devez utiliser des nanocristaux de taille uniforme. " C'est l'une des raisons pour lesquelles l'effet n'a pas été observé auparavant :nanocristaux dans une gamme de tailles différentes.Ces différences suffisent à masquer l'effet.

Pour tester leur technique, les chercheurs ont étudié la détection d'hydrogène gazeux avec des nanocristaux de palladium. Ils choisissent le palladium parce qu'il est très stable et qu'il libère facilement de l'hydrogène adsorbé. Ils ont utilisé l'hydrogène en raison de l'intérêt de l'utiliser en remplacement de l'essence. L'un des principaux obstacles techniques à ce scénario est le développement d'une méthode de stockage sûre et rentable. Un système d'hydrure métallique à base de nanocristaux est l'une des approches prometteuses en cours de développement.

Les mesures qu'ils ont effectuées ont révélé que la taille des nanocristaux a un effet beaucoup plus important sur la vitesse à laquelle le matériau peut adsorber et libérer de l'hydrogène et la quantité d'hydrogène que le matériau peut absorber que prévu - toutes les propriétés clés d'un système de stockage d'hydrogène. Plus la taille des particules est petite, plus le matériau peut absorber le gaz rapidement, plus il peut absorber de gaz et plus vite il peut le libérer.

"Autrefois, les gens pensaient que l'effet taille était limité à des tailles inférieures à 15 à 20 nanomètres, mais nous avons constaté qu'il s'étend jusqu'à 100 nanomètres, " dit Bardhan.

Les chercheurs ont également déterminé que le taux d'adsorption/désorption était déterminé par trois facteurs seulement :la pression, température et taille des nanocristaux. Ils n'ont pas trouvé que des facteurs supplémentaires tels que les défauts et les contraintes avaient un effet significatif comme suggéré précédemment. Sur la base de ces nouvelles informations, ils ont créé une simulation informatique simple qui peut prédire les taux d'adsorption/désorption de divers types et gammes de tailles de nanocristaux avec une variété de gaz différents.

"Cela permet d'optimiser un large éventail d'applications des nanocristaux, y compris les systèmes de stockage d'hydrogène, convertisseurs catalytiques, piles, piles à combustible et supercondensateurs, " dit Bardhan.