Genom att undersöka små guldpartiklar med kraftfulla röntgenstrålar, forskare hoppas att de kan lära sig att minska på skadliga kolmonoxidutsläpp från motorfordon.

Kolmonoxid är en färglös, luktfri och farlig gas som produceras av bilar, lastbilar och andra fordon som bränner fossila bränslen. Avgassystem använder en katalysator för att ändra den kolmonoxiden till giftfri koldioxid, men enligt U.S. Environmental Protection Agency, bränsleförbränande fordon är den största källan till kolmonoxidutsläpp i atmosfären, vilket ökar mängden växthusgaser i luften.

Forskare runt om i världen arbetar för att minska dessa utsläpp, och ett sätt att göra det är att lära sig mer om de kemiska reaktionerna som uppstår inuti avgassystemet. Dessa reaktioner använder ofta guld som katalysator. Medan stora mängder guld är inerta, små partiklar av den är en aktiv katalysator vid oxidation av kolmonoxid, en reaktion som förändrar den till koldioxid.

Aline Passos och Florian Meneau har studerat den reaktionen i åratal. Båda arbetar på Brazilian Synchrotron Light Laboratory (LNLS), Passos som kemist och Meneau som fysiker. Tillsammans leder de ett forskargrupp som nyligen använde ultraljusröntgen från Advanced Photon Source (APS), ett US Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility vid DOE:s Argonne National Laboratory, att belysa små guldpartiklar när de katalyserade en liknande reaktion som den som händer inuti bilens avgaser. Resultaten av denna forskning publicerades i Naturkommunikation .

"Om vi ​​bättre kan förstå hur denna katalys fungerar, vi kan optimera och förbättra det, "Sa Passos." Om vi ​​bättre kan konstruera katalysatorerna, vi kan kontrollera eller begränsa kolmonoxiden. "

Egenskaperna för denna reaktion är välkända, Passos och Meneau sa:men att studera reaktionen av en enda liten guldpartikel när den genomgår denna reaktion är ett nytt vetenskapligt territorium, och endast möjligt på grund av den teknik som finns tillgänglig på APS.

För att genomföra detta experiment, Passos syntetiserade guld nanopartiklar, cirka 60 nanometer i diameter. (För skala, ett pappersark är cirka 100, 000 nanometer tjocka.) Hon konstruerade dem i två former, sfärer och kuber, och introducerade några kemiska defekter för några av partiklarna, ändra atomstrukturen något för att se om det påverkade hur de katalyserade reaktionen.

"Atomerna i olika positioner förändras, och de ändrar de elektroniska och kemiska egenskaperna, "Meneau sa." Det är välkänt hur man gör detta. Men vi hade bara kunnat undersöka katalysstadiet tidigare. Vi har inte kunnat observera vilka förändringar som finns inuti en enda partikel under reaktionen. "

För att åstadkomma detta, det brasilianska laget tog sedan med sig dessa partiklar till beamline 34-ID-C vid APS, som specialiserar sig på vad som kallas "in situ" bildförsök. Det betyder att APS-röntgenstrålarna kan användas för att ta bilder av prover medan de genomgår reaktioner-temperaturförändringar, till exempel, eller ökat tryck - i realtid. I detta fall, forskare använde guldnanopartiklarna för att oxidera kolmonoxid och fångade förändringarna i partiklarnas kristallina ramar när reaktionen skedde.

Wonsuk Cha, en assisterande fysiker med Argonnes röntgenvetenskapliga avdelning (XSD) och en medförfattare på tidningen, har arbetat i flera år med in situ -experiment på denna strållinje. Utmaningen, han säger, har utvecklat kamrar för experimenten som är kompatibla med bildtekniken.

"En av utmaningarna är den lilla storleken på de prover vi arbetar med, "sa han." Strålens storlek är vanligtvis 500 nanometer bred, och vi har fulländat tekniker för att övervaka provets position inom strålen, vilket gör att experimentet kan fortsätta. "

Tekniken som används i detta experiment kallas koherent röntgendiffraktionsavbildning (CDI), och Ross Harder, en fysiker med XSD, har varit ledande utvecklare av instrumentering för den tekniken i Argonne sedan 2008. För CDI -experiment, röntgenstrålen diffrakterar från provet och projicerar ett informationsmönster på en detektor, och datoralgoritmer används sedan för att tolka den informationen och konstruera en bild från den.

"Vi kan se nanoskala bilder som vi inte kan se med ett vanligt ljus, "Harder sa." Det finns bara en handfull ljuskällor i världen som kan göra detta experiment. "

Resultatet, Meneau sa, är en ny bild av hur dessa nanopartiklar upplever katalytiska reaktioner. Bilden som framkom är en karta över belastningen i partikeln - ett mått på formförändringen när provet utsätts för spänning - till hörnen och kanterna, visar att dessa delar av nanopartiklarna är mest involverade i katalysen.

Data visar också att stammen kan påverkas av inducerade kemiska förändringar, och att identiskt formade och stora nanopartiklar inte upplever denna reaktion på samma sätt. Detta innebär att själva reaktionen potentiellt kan ändras på kemisk nivå genom att ändra katalysatorn.

Även om prover av storleken som används i detta experiment kan verka små, den typiska storleken för en guldkatalysator i industriella tillämpningar är fem nanometer tjock, ungefär två bredder av mänskligt DNA. Passos och Meneau sa att nästa steg för deras forskning är att skala ner det, med målet att fånga den katalytiska reaktionen i mindre och mindre prover.

Ett massivt uppgraderingsprojekt som pågår vid APS kommer att möjliggöra denna nedskalning, de sa, liksom den nya ljuskällan på LNLS, Sirius, som är planerad att gå online 2021. APS -uppgraderingen kommer att öka ljusstyrkan och det sammanhängande flödet med 100 till 1, 000 gånger jämfört med nuvarande APS, vilket kommer att förbättra kvaliteten på diffraktionsbilder.

"Sextio nanometer är alldeles för stort för industrin, "Meneau sa, "men APS -uppgraderingen låter oss undersöka mindre prover. De nya maskinerna kan göra detta."