När Amplex Red ansluter till en guldkatalysator ändras strukturen för att skapa en fluorescerande molekyl som omedelbart avger en blixt av ljus, visar var den katalytiska händelsen ägde rum. Höger, elektronmikrofoto av en enda guldnanorod, inneslutet i ett poirussilikatskal. Skalet håller stavarna från att klumpa ihop sig och gör det möjligt för experter att använda värme för att rensa bort en beläggning som bildas när stavarna skapas. Bild:Chen Lab
Ingenjörer som försöker förbättra bränslecellskatalysatorer kan leta på fel ställe, enligt ny forskning vid Cornell.
Det finns ett växande intresse för att bilda katalysatorerna som bryter ned bränsle för att generera el till nanopartiklar. Nanopartiklar ger en större yta för att påskynda reaktioner, och i vissa fall, material som inte är katalytiska i bulk blir så på nanoskala.
Dessa nanopartiklar, vanligtvis bara några tiotals nanometer (nm) breda, är inte snygga små sfärer, men ganska taggiga bitar, som mikroskalgrus, och forskare har funnit att de kan korrelera katalytisk aktivitet med information om antalet och typen av deras ytfasetter. Men de kanske tittar på skogen och ignorerar träden.
"Människor mäter aktiviteten i ett urval och försöker sedan förstå med hjälp av facetinformation, "sa Peng Chen, docent i kemi och kemisk biologi. "Budskapet vi vill leverera är att ytdefekter [på fasetterna] dominerar katalysen."
Chens forskning rapporteras 19 februari i tidningen online Naturnanoteknik .
Istället för partiklar, Chens forskargrupp studerade katalytiska händelser på guld "nanoroder" upp till 700 nm långa, effektivt låta dem se hur aktivitet varierar över en enda aspekt. Guld fungerar som en katalysator för att omvandla en kemikalie som heter Amplex Red till resorufin, som är fluorescerande.
Varje gång en katalytisk händelse inträffar, den nyskapade molekylen av resorufin avger en ljusblixt som detekteras av en digitalkamera som tittar genom ett mikroskop. En blixt visas vanligtvis som flera pixlar, och ytterligare datorbearbetning i genomsnitt deras ljusstyrka för att identifiera den faktiska händelsen till inom några nanometer. Forskarna kallar tekniken "superupplöst mikroskopi". Efter att ha översvämmat ett fält av nanoroder med en lösning av Amplex Red, de gjorde en "film" med en bildruta var 25:e millisekund.
Forskarna fann fler katalytiska händelser nära mitten av en stav, avsmalnande mot ändarna och ett hopp tillbaka upp i ändarna. De fann också variation i mängden aktivitet från en stav till en annan, även om alla stavar har samma typer av fasetter.
För att förklara resultaten, de föreslog att aktiviteten är högre i områden där det finns fler ytdefekter. Nanoroderna tillverkas genom att odla guldkristaller från en liten "frö" -kristall, växer utåt från mitten till ändarna, Chen förklarade, och fler defekter bildas i början av processen.
"Kunskapen om ytfasetterna ... är otillräcklig för att förutsäga reaktivitet, "sa forskarna i sin artikel." Ytdefekter ... kan också spela en dominerande roll. "
Fynden med en guldkatalysator och fluorescerande molekyler bör vara lika tillämpliga på andra katalysatorer, inklusive de som används i bränsleceller och för sanering av föroreningar, Sa Chen.
