Mer effektiva katalysatorer på bilar, förbättrade batterier och känsligare gassensorer är några av de potentiella fördelarna med ett nytt system som direkt kan mäta hur nanokristaller adsorberar och släpper ut väte och andra gaser.

Tekniken, som utvecklades av Vanderbilt universitetsassistent i kemi och biomolekylär teknik Rizia Bardhan, beskrivs i ett papper publicerat online den 4 augusti av tidningen Naturmaterial .

Under de senaste 30 åren har det har gjorts en enorm mängd forskning som studerar nanokristaller - små kristaller i storlek mellan en till 100 nanometer i storlek (en nanometer är till en tum vad en tum är till 400 miles) - på grund av förväntningen att de har unika fysikaliska och kemiska egenskaper som kan användas i ett brett spektrum av applikationer.

En tillämpningsklass beror på nanokristallers förmåga att ta ut specifika molekyler och partiklar ur luften, håll fast vid dem och släpp dem sedan:en process som kallas adsorption och desorption. Framsteg inom detta område har hindrats av begränsningar i befintliga metoder för att mäta de fysiska och kemiska förändringar som sker i enskilda nanokristaller under processen. Som ett resultat, framsteg har uppnåtts genom trial-and-error och har begränsats till konstruerade prover och specifika geometrier.

"Vår teknik är enkel, direkt och använder instrument på hyllan så att andra forskare inte ska ha svårt att använda det, "sa Bardhan. Medarbetare i utvecklingen var Vanderbilt biträdande professor i maskinteknik Cary Pint, Ali Javey från University of California, Berkeley och Lester Hedges, Stephen Whitelam och Jeffrey Urban från Lawrence Berkeley National Laboratory.

Metoden är baserad på ett standardförfarande som kallas fluorescensspektroskopi. En laserstråle är fokuserad på mål -nanokristaller, får dem att fluorescera. När nanokristallerna adsorberar gasmolekylerna, styrkan på deras fluorescerande dimmer och när de släpper ut gasmolekylerna, det återhämtar sig.

"Fluorescenseffekten är mycket subtil och mycket känslig för skillnader i nanokristallstorlek, "förklarade hon." För att se det måste du använda nanokristaller som är enhetliga i storlek. "Det är en anledning till varför effekten inte observerades tidigare:Tillverkningstekniker som kulfräsning och andra våtkemiska metoder som har använts i stor utsträckning producerar nanokristaller i olika storlekar. Dessa skillnader är tillräckligt för att dölja effekten.

För att testa deras teknik, forskarna studerade vätgasavkänning med nanokristaller gjorda av palladium. De väljer palladium eftersom det är mycket stabilt och det frigör lätt adsorberat väte. De använde väte på grund av intresset för att använda det som ersättning för bensin. Ett av de stora tekniska hindren för detta scenario är att utveckla en säker och kostnadseffektiv lagringsmetod. Ett nanokristallbaserat metallhydridsystem är en av de lovande tillvägagångssätten under utveckling.

De mätningar de gjorde visade att storleken på nanokristallerna har en mycket starkare effekt på hur snabbt materialet kan adsorbera och släppa ut väte och mängden väte som materialet kan absorbera än tidigare förväntat - alla viktiga egenskaper för ett vätelagringssystem. Ju mindre partikelstorlek, ju snabbare materialet kan absorbera gasen, ju mer gas den kan absorbera och snabbare kan den släppa ut den.

"Förr, människor trodde att storlekseffekten var begränsad till storlekar mindre än 15 till 20 nanometer, men vi fann att den sträcker sig upp till 100 nanometer, sa Bardhan.

Forskarna bestämde också att adsorptions-/desorptionshastigheten bestämdes av bara tre faktorer:tryck, temperatur och nanokristallstorlek. De fann inte att ytterligare faktorer som defekter och belastning hade en signifikant effekt som tidigare föreslagits. Baserat på denna nya information, de skapade en enkel datasimulering som kan förutsäga adsorptions-/desorptionshastigheter av olika typer och storleksintervall för nanokristaller med en mängd olika gaser.

"Detta gör det möjligt att optimera ett brett utbud av nanokristallapplikationer, inklusive vätlagringssystem, katalysatorer, batterier, bränsleceller och superkondensatorer, "Sa Bardhan.