Forskare vid Queen Mary University of London har hittat ett sätt att placera katalysatorer inuti de minsta porerna i olika värdmaterial, lite som när modellskepp fälls ut i en flaska.

När material är instängda så här i så liten skala, och utan att bryta värden, de beter sig annorlunda än sin bulkform, en förändring som forskarna kallar instängningseffekten.

När det gäller katalysatorer, som är material som påskyndar kemiska reaktioner, instängdhet kan leda till högre aktivitet. Det håller partiklar väl åtskilda, vilket är nyckeln till att förhindra funktionsförlust vid katalys, och bevarar deras mycket reaktiva yta.

Liknande, när ett material kläms på ett litet utrymme, dess elektroner är inte fria att röra sig så långt som vanligt och materialets ljusemissionsfärg kan ändras – en effekt som skulle kunna användas i mikrolasrar.

Denna strategi öppnar också för möjligheten till multifunktionella material där antingen gästen och värden gör olika saker separat eller, eftersom gästen är instängd, interaktionerna mellan värden och gästen kan producera nya egenskaper.

För att illustrera tillvägagångssättet, forskarna använde porösa nanomaterial som är som svampar men med 1 nm fickor inuti där andra molekyler får plats. Dock, ladda reaktiva katalysatorer inuti en nanoporös värd är utmanande eftersom reaktionsförhållandena ofta kan förstöra värden.

Studien, publiceras i Naturkommunikation , demonstrerar ett koncept som använder termodynamik för att övervinna dessa problem. Forskarna insåg att de kan uppskatta värdens stabilitet under olika reaktionsförhållanden.

Forskningen utfördes med University of Cambridge, Dalian Institute of Chemical Physics (Chinese Academy of Sciences), National University of Singapore och University of New South Wales.

Chefsutredare Dr. Stoyan Smoukov, från Queen Mary University of London, sa:"Vi hade några idéer om att inneslutning kunde förändra egenskaper, som sådana förändringar har setts i andra system. Frågan var - fanns det ett allmänt sätt på vilket vi kunde försöka vägleda forskare så att de kunde syntetisera alla typer av stora gäster med olika funktioner - som metaller, metalloxider, sulfider, nitrider - utan att förstöra värdarna?"

Med hjälp av termodynamiska diagram utvecklade forskarna ett koncept som heter Pourbaix-Enabled Guest Synthesis (PEGS), där betingelser och prekursorföreningar kan väljas för att inte förstöra värdarna. De inkluderar ett handledningssystem som visar hur man gör ett stort utbud av nya gäst/värdkombinationer.

Medförfattare, Professor Qiang Fu, från Dalian Institute of Chemical Physics (Chinese Academy of Sciences), tillade:"Ur ett praktiskt perspektiv, PEGS-metoden kopplar samman materialkemin med designen av funktionella material för tillämpningar som heterogen katalys. De instängda oxidnanostrukturerna som erhålls med PEGS-metoden i detta arbete kan presentera förbättrad katalytisk prestanda, vilket är av stor betydelse för design av avancerade oxidkatalysatorer."

En av huvudförfattarna, Tiesheng Wang, från University of Cambridge, sade:"Den kommande påverkan kan bli enorm. Eftersom kvantteorin beskriver naturen på atomär-till-subatomär skala, arbetet som hjälper till att uppnå nya begränsade tillstånd i liten skala kan bidra till grunden för att experimentellt utforska kvantvärlden."