Cette micrographie électronique à transmission haute résolution prise au CFN révèle l'arrangement des nanoparticules d'oxyde de cérium (des "slashs" angulaires brillants au bas de l'image) supportées sur un substrat de titane (arrière-plan) ‹une combinaison explorée comme catalyseur pour la division de l'eau molécules pour libérer de l'hydrogène comme carburant et pour d'autres réactions de transformation de l'énergie.
(Phys.org) — Parfois, les grands changements viennent de petits commencements. C'est particulièrement vrai dans les recherches d'Anatoly Frenkel, professeur de physique à l'Université Yeshiva, qui travaille à réinventer la façon dont nous utilisons et produisons l'énergie en libérant le potentiel de certaines des plus petites structures du monde :les nanoparticules.
"La nanoparticule est la plus petite unité dans la plupart des nouveaux matériaux, et toutes ses propriétés sont liées d'une manière ou d'une autre à sa structure, " dit Frenkel. " Si nous pouvons comprendre ce lien, nous pouvons tirer beaucoup plus d'informations sur la façon dont il peut être utilisé pour la catalyse, énergie, et à d'autres fins."
Parfois, le grand changement vient de petits commencements. C'est particulièrement vrai dans les recherches d'Anatoly Frenkel, professeur de physique à l'Université Yeshiva, qui travaille à réinventer la façon dont nous utilisons et produisons l'énergie en libérant le potentiel de certaines des plus petites structures du monde :les nanoparticules.
"La nanoparticule est la plus petite unité dans la plupart des nouveaux matériaux, et toutes ses propriétés sont liées d'une manière ou d'une autre à sa structure, " dit Frenkel. " Si nous pouvons comprendre ce lien, nous pouvons tirer beaucoup plus d'informations sur la façon dont il peut être utilisé pour la catalyse, énergie, et à d'autres fins."
Frenkel collabore avec le scientifique des matériaux Eric Stach et d'autres au laboratoire national de Brookhaven du département américain de l'Énergie pour développer de nouvelles façons d'étudier le comportement des nanoparticules dans les catalyseurs, les « démarreurs » des réactions chimiques qui convertissent les carburants en formes d'énergie utilisables et transforment matières premières aux produits industriels.
"Nous développons un nouveau" micro-réacteur "qui nous permet d'explorer de nombreux aspects de la fonction catalytique en utilisant plusieurs approches à la source de lumière synchrotron nationale de Brookhaven (NSLS), le NSLS-II, qui sera bientôt terminé, et le Centre des nanomatériaux fonctionnels (CFN), " dit Stach, qui travaille au CFN. "Cette approche nous permet de comprendre de multiples aspects du fonctionnement des catalyseurs afin que nous puissions modifier leur conception pour améliorer leur fonction. Ce travail pourrait conduire à des gains importants en efficacité énergétique et à des économies de coûts pour les processus industriels."
Des outils de haute technologie pour la science
Jusqu'à maintenant, les méthodes de compréhension des propriétés catalytiques ne pouvaient être utilisées qu'une à la fois, le catalyseur se retrouvant dans un état différent pour chacune des expériences. Cela a rendu difficile la comparaison des informations obtenues à l'aide des différents instruments. Le nouveau microréacteur utilisera plusieurs techniques :microscopie, spectroscopie, et la diffraction - pour examiner simultanément différentes propriétés de catalyseurs dans des conditions opératoires. En gardant les particules dans le même état structurel et dynamique dans les mêmes conditions de réaction, le micro-réacteur donnera aux scientifiques une bien meilleure idée de leur fonctionnement.
« Ces développements sont le résultat de la combinaison d'installations uniques disponibles à Brookhaven, " a déclaré Frenkel. " En travaillant étroitement avec Eric, nous avons réalisé qu'il existait un moyen de faire fonctionner les méthodes basées sur les rayons X et les électrons de manière vraiment complémentaire.
Chaque technique a des atouts, Stach a expliqué. « À la NSLS, à l'aide de puissants faisceaux de rayons X, nous pouvons dire comment l'ensemble du groupe de nanoparticules se comporte, tandis que la microscopie électronique au CFN permet de voir la structure atomique de chaque nanoparticule. En ayant ces deux points de vue sur les catalyseurs, nous pouvons mieux comprendre la relation entre la structure et la fonction du catalyseur."
dit Frenkel, "Ce fut une grande satisfaction pour nous de réaliser les premiers tests avec le réacteur de chaque installation et d'obtenir des résultats positifs. Je suis particulièrement reconnaissant à Ryan Tappero, le scientifique qui dirige la ligne de lumière NSLS X27A, pour son aide experte dans l'acquisition de données radiographiques."
Frenkel a eu une collaboration continue avec les scientifiques de Brookhaven. L'année dernière, avec l'associé de recherche post-doctoral Qi Wang, Frenkel et Stach ont mesuré les propriétés des nanoparticules en utilisant les rayons X produits par le NSLS ainsi que l'imagerie à l'échelle atomique avec des électrons au CFN. Comme indiqué dans un article publié dans le Journal de l'American Chemical Society plus tôt cette année, ils ont découvert que plutôt que de changer complètement d'un état à un autre à une certaine température et taille, comme on l'avait cru auparavant, il existe une zone de transition entre les états lorsque les particules changent de forme.
« Cela est fondamentalement important parce que jusqu'à présent, les structures étaient connues pour simplement changer d'une forme à une autre - elles n'ont jamais été envisagées pour coexister sous différentes formes, " a déclaré Frenkel. "Avec nos informations, nous pouvons expliquer pourquoi les catalyseurs ne fonctionnent souvent pas comme prévu et comment les améliorer."
Formation de jeunes scientifiques
La collaboration offre également aux étudiants l'opportunité d'expérimenter les défis de la recherche, en leur donnant accès aux outils de classe mondiale de Brookhaven. Les étudiants de premier cycle de Frenkel au Stern College for Women de l'Université Yeshiva aident avec les mesures, l'analyse des données, et interprétation, et beaucoup l'ont déjà accompagné à Brookhaven pour l'aider dans son travail en utilisant le NSLS et d'autres instruments de pointe.
"Je leur donne une expérience directe de la vie d'un chercheur dès le début, car ils mènent des recherches de premier ordre, " a déclaré Frenkel. "Cette expérience ouvre les portes de n'importe quel domaine dans lequel ils veulent être."
Alyssa Lerner, une majeure en pré-ingénierie qui a travaillé avec Frenkel à Brookhaven, a déclaré que la recherche "m'a aidé à développer des compétences telles que l'analyse informatique et la pensée critique, indispensables dans tout domaine scientifique. L'expérience expérimentale pratique m'a permis de mieux comprendre le fonctionnement de la communauté scientifique, m'aidant à faire des choix de carrière plus éclairés au fur et à mesure que je poursuis mes études. »
Associer des étudiants et des mentors pour faire progresser l'éducation et utiliser des techniques d'imagerie complémentaires pour améliorer l'efficacité énergétique, deux des résultats positifs de cette collaboration fructueuse.
"En rassemblant plusieurs techniques complémentaires pour éclairer un même processus, nous allons comprendre le fonctionnement des nanomatériaux, " dit Frenkel. " En fin de compte, cette recherche créera une meilleure façon d'utiliser, stockage, et la conversion de l'énergie."
