Teoretiska fysiker har tagit fram en matematisk modell av två olika molekyler som reagerar i så kallade nanoreaktorer som fungerar som katalysatorer. De fick överraskande nya insikter om vilka faktorer som främjar reaktioner och hur man kontrollerar och väljer dem. Modellen är relevant för ett brett spektrum av forskningsområden, från biofysik till energimaterial.

Nanoreaktorer är små system som underlättar specifika kemiska reaktioner, som en katalysator gör. Många finns i biologiska system, såsom vissa proteiner. Men kemister kan också syntetisera konstgjorda nanoreaktorer för att kontrollera kemiska reaktioner. En viktig klass av dessa nanoreaktorer har en "äggula &skal"-arkitektur som ett ägg:en katalytiskt aktiv metallisk nanopartikel omges av ett skal som består av ett polymert nätverk. Dessa typer av nanoreaktorer kan skapa isolerade miljöer för specifika reaktioner och begränsa dem till det lilla utrymmet inuti skalet.

Matematisk beskrivning ger nya insikter

"Vi har nu för första gången matematiskt beskrivit hur två olika molekyler transporteras för att reagera i nanoreaktorer. Den nya modellen visar tydligt vilka faktorer som gynnar en given reaktion", säger doktor Rafael Roa. Roa är förstaförfattare till publikationen i ACS-katalys och en postdoc i gruppen som leds av Prof. Joe Dzubiella vid HZB Institute for Soft Matter and Functional Materials.

Vad betyder mest?

Några av resultaten kommer som en överraskning:tvärtemot förväntningarna, reaktionshastigheten är inte så mycket begränsad av koncentrationen av molekylerna i lösning, men avgörande av permeabiliteten hos nanoreaktorns skal. "Detta är extremt intressant eftersom kemister idag ofta kan finjustera eller till och med ändra permeabiliteten för dessa skal till specifika molekyler via variationer i temperatur eller andra parametrar", förklarar medförfattaren Dr Won Kyu Kim.

Fotoaktivering beaktas

Den nya modellen är ett stort steg framåt från den äldre teorin som gjordes många decennier tidigare och som bara kunde hantera en molekyl. "Vår modell är tillämplig på forskning om energimaterial, och det kan till och med ta hänsyn till fotoaktivering av en av molekylerna vid skalet av solljus", konstaterar Dzubiella. Han har med detta arbete uppnått ett av målen för hans European Research Council (ERC) Consolidator Grant (2015-2020).

Förutsägelser kommer att sättas på prov

Dzubiellas Soft Matter Theory-grupp samarbetar med HZB-kemist Prof. Yan Lu, en erkänd expert på syntetiska nanoreaktorer. De är ivriga att testa sina teoretiska förutsägelser på verkliga system. "Vi kan nu bättre förstå vad som händer, och vi förväntar oss att förutsäga hur de katalytiska effekterna av dessa typer av nanoreaktorer kan kontrolleras - genom återkopplingsslingor, till exempel, som kommer att stoppa eller starta reaktionen efter behag."