Les points sont importants lors de la conception de nanoparticules qui entraînent des réactions chimiques importantes en utilisant la puissance de la lumière.

Les chercheurs du Laboratoire de nanophotonique (LANP) de l'Université Rice savent depuis longtemps que la forme d'une nanoparticule affecte la façon dont elle interagit avec la lumière, et leur dernière étude montre comment la forme affecte la capacité d'une particule à utiliser la lumière pour catalyser des réactions chimiques importantes.

Dans une étude comparative, Les étudiants diplômés du LANP Lin Yuan et Minhan Lou et leurs collègues ont étudié des nanoparticules d'aluminium ayant des propriétés optiques identiques mais des formes différentes. Le plus arrondi avait 14 côtés et 24 pointes émoussées. Un autre était en forme de cube, avec six côtés et huit coins à 90 degrés. Le troisième, que l'équipe a surnommé « octopode, " avait aussi six côtés, mais chacun de ses huit coins se terminait par une pointe pointue.

Les trois variétés ont la capacité de capter l'énergie de la lumière et de la libérer périodiquement sous la forme d'électrons chauds superénergétiques qui peuvent accélérer les réactions catalytiques. Yuan, chimiste dans le groupe de recherche de la directrice du LANP Naomi Halas, ont mené des expériences pour voir dans quelle mesure chacune des particules fonctionnait comme photocatalyseur pour la réaction de dissociation de l'hydrogène. Les tests ont montré que les octopodes avaient une vitesse de réaction 10 fois plus élevée que les nanocristaux à 14 faces et cinq fois plus élevée que les nanocubes. Les octopodes avaient également une énergie d'activation apparente plus faible, environ 45% de moins que les nanocubes et 49% de moins que les nanocristaux.

"Les expériences ont démontré que des angles plus vifs augmentaient l'efficacité, " dit Yuan, co-auteur principal de l'étude, qui est publié dans la revue American Chemical Society ACS Nano. "Pour les octopodes, l'angle des coins est d'environ 60 degrés, contre 90 degrés pour les cubes et des points plus arrondis sur les nanocristaux. Donc plus l'angle est petit, plus l'augmentation des efficacités de réaction est importante. Mais à quel point l'angle peut être petit est limité par la synthèse chimique. Ce sont des monocristaux qui préfèrent certaines structures. Vous ne pouvez pas faire infiniment plus de netteté."

Lou, un physicien et co-auteur principal de l'étude dans le groupe de recherche de Peter Nordlander du LANP, vérifié les résultats des expériences catalytiques en développant un modèle théorique du processus de transfert d'énergie des électrons chauds entre les nanoparticules d'aluminium activées par la lumière et les molécules d'hydrogène.

"Nous saisissons la longueur d'onde de la lumière et la forme des particules, " dit Lou. " En utilisant ces deux aspects, nous pouvons prédire avec précision quelle forme produira le meilleur catalyseur."

Le travail fait partie d'un effort de chimie verte en cours par LANP pour développer des nanocatalyseurs activés par la lumière commercialement viables qui peuvent insérer de l'énergie dans des réactions chimiques avec une précision chirurgicale. LANP a déjà démontré des catalyseurs pour la production d'éthylène et de gaz de synthèse, le fractionnement de l'ammoniac pour produire de l'hydrogène combustible et pour briser les « produits chimiques pour toujours ».

"Cette étude montre que la forme du photocatalyseur est un autre élément de conception que les ingénieurs peuvent utiliser pour créer des photocatalyseurs avec des taux de réaction plus élevés et des barrières d'activation plus faibles, " dit Halas, Professeur Stanley C. Moore de Rice en génie électrique et informatique, directeur du Rice's Smalley-Curl Institute et professeur de chimie, bio-ingénierie, physique et astronomie, et la science des matériaux et la nano-ingénierie.