Att vara av rätt storlek och existera i limbo mellan ett fast och ett flytande tillstånd verkar vara hemligheterna bakom att förbättra effektiviteten hos kemiska katalysatorer som kan skapa bättre nanopartiklar eller effektivare energikällor.

När materia är i detta övergångstillstånd, en katalysator kan uppnå sin största potential med rätt kombination av katalysatorpartikelstorlek och temperatur, enligt ett par Duke University-forskare. En katalysator är ett medel eller kemikalie som underlättar en kemisk reaktion. Det uppskattas att mer än 90 procent av kemiska processer som används av industrin involverar katalysatorer någon gång.

Denna upptäckt kan ha breda konsekvenser i nästan varje katalysatorbaserad reaktion, enligt en ingenjör och en kemist på Duke som rapporterade sina fynd online i American Chemical Society's journal ACS-Nano . Teamet fann att förhållandet yta / volym för katalysatorpartikeln-dess storlek-är viktigare än vanligt uppskattat.

"Vi fann att den mindre storleken på en katalysator kommer att leda till en snabbare reaktion än om huvuddelen, eller större, version av samma katalysator används, sa Stefano Curtarolo, docent vid Institutionen för maskinteknik och materialvetenskap.

"Detta är utöver det vanliga överskottet av yta i nanopartiklarna, sade Curtarolo, som kom med den teoretiska grunden för fynden för tre år sedan och såg dem bekräftas av en serie intrikata experiment utförda av Jie Liu, Hertig professor i kemi.

"Detta öppnar upp ett helt nytt studieområde, eftersom det termokinetiska tillståndet hos katalysatorn inte tidigare har ansetts vara en viktig faktor, " sade Curtarolo. "Det är på ytan paradoxalt. Det är som att säga om en bil använder mindre gas (en mindre partikel), det kommer att gå snabbare och längre."

Deras serie experiment utfördes med kolnanorör, och forskarna tror att samma principer som de beskrev i artikeln gäller för alla katalysatordrivna processer.

Liu bevisade Curtarolos hypotes genom att utveckla en ny metod för att mäta inte bara längden på växande kolnanorör, men också deras diametrar. Nanorör är mikroskopiska "nätliknande" rörformiga strukturer som används i hundratals produkter, som textilier, solceller, transistorer, föroreningsfilter och kroppspansar.

"I vanliga fall, nanorör växer från en plan yta på ett oorganiserat sätt och ser ut som en tallrik spagetti, så det är omöjligt att mäta något enskilt rör, " sa Liu. "Vi kunde odla dem i individuella parallella strängar, vilket gjorde det möjligt för oss att mäta tillväxttakten såväl som tillväxtens längd."

Genom att odla dessa nanorör med olika katalysatorpartikelstorlekar och vid olika temperaturer, Liu kunde bestämma den "sweet spot" där nanorören växte snabbast och längst. Som det blev, detta hände när partikeln var i sitt viskösa tillstånd, och att mindre var bättre än större, precis som förutspått.

Dessa mätningar gav den experimentella underbyggnaden av Curtarolos hypotes att givet en viss temperatur, mindre nanopartiklar är effektivare och effektivare per ytenhet än större katalysatorer av samma typ när de ligger i den dimensionen mellan fast och flytande.

"Vanligtvis, inom detta område kommer de experimentella resultaten först, och förklaringen kommer senare, " sa Liu. "I det här fallet, vilket är ovanligt, vi tog hypotesen och kunde utveckla en metod för att bevisa att den stämmer i laboratoriet."