Nanopartiklar kan vara potenta katalysatorer. Bimetalliska nanolegeringar av platina och palladium, till exempel, kan bidra till att generera vätebränsle genom att främja den elektrokemiska nedbrytningen av vatten. Identifiera den mest aktiva nanolegeringen för en sådan uppgift, dock, är fortfarande en utmaning; katalytisk prestanda relaterar direkt till partikelstruktur, och experiment för att fastställa atomarrangemanget för sådana små partiklar är svåra att genomföra. Att förutsäga stabila nanolegeringsstrukturer är nu möjligt med hjälp av en beräkningsmetod som utvecklats av Teck Leong Tan vid A*STAR Institute of High Performance Computing och hans medarbetare. Deras teknik kan också identifiera sätt på vilka nanopartikelns atomstruktur kan justeras för att förbättra katalytisk prestanda.

Utmaningen med att beräkna nanolegeringsstruktur och egenskaper utifrån de första principerna är den beräkningskraft som krävs, säger Tan. För sina studier, han och hans medarbetare betraktade en 55-atomig nanolegerad partikel, varje plats i strukturen fylld av antingen en palladium- eller en platinaatom. "Det finns miljontals möjliga legeringskonfigurationer, så det skulle vara beräkningsmässigt svårhanterligt att göra en direkt sökning med hjälp av första principberäkningar, Tan förklarar.

För att göra processen hanterbar, forskarna bröt konceptuellt ner nanopartikeln i små geometriska underenheter, eller kluster. Från första principberäkningar på en uppsättning av cirka 100 olika legeringsstrukturer, var och en består av ett 30-tal kluster, de genererade en tillförlitlig modell för legeringsbeteende med en metod som kallas kluster expansion. Från denna modell, de beräknade hela nanopartikelegenskaper. "Modellen används för att snabbt söka igenom det enorma konfigurationsutrymmet för lågenergistillstånd, " säger Tan. Dessa lågenergitillstånd representerar de stabila legeringskonfigurationer som borde existera experimentellt (se bild).

Med hjälp av deras beräknade stabila strukturer, Tan och hans medarbetare förutspådde sedan hur olika atomkonformationer påverkar en partikels prestanda som katalysator. Som en modellreaktion, forskarna undersökte väteutvecklingsreaktionen, den elektrokemiska genereringen av vätgas. Resultaten tyder på att partikelkatalytisk aktivitet kommer att öka när mer palladium tillsätts, eftersom denna legering förbättrar vätebindningen vid olika adsorptionsställen på nanopartikelytan - användbar information för att styra syntesen av nya nanokatalysatorer.

Tillvägagångssättet bör vara allmänt tillämpligt för nanopartikelforskning, noterar Tan. "Klusterexpansionsmetoden kan generellt tillämpas på alla legeringssystem där strukturer och stabiliteter är av intresse, " säger han. Tan planerar sedan att undersöka effekten av molekyler som adsorberas på en katalysators yta. "Närvaron av adsorberade molekyler leder ofta till förändringar i legeringsstrukturer, därigenom förändras katalytisk prestanda, " han säger.