(Phys.org) – Ibland kommer stora förändringar från små början. Det är särskilt sant i forskningen av Anatoly Frenkel, en professor i fysik vid Yeshiva University, som arbetar för att återuppfinna hur vi använder och producerar energi genom att frigöra potentialen hos några av världens minsta strukturer:nanopartiklar.

"Nanopartikeln är den minsta enheten i de flesta nya material, och alla dess egenskaper är på ett eller annat sätt kopplade till dess struktur, " sa Frenkel. "Om vi ​​kan förstå det sambandet, vi kan få mycket mer information om hur det kan användas för katalys, energi, och andra ändamål."

Ibland kommer stora förändringar från små början. Det är särskilt sant i forskningen av Anatoly Frenkel, en professor i fysik vid Yeshiva University, som arbetar för att återuppfinna hur vi använder och producerar energi genom att frigöra potentialen hos några av världens minsta strukturer:nanopartiklar.

"Nanopartikeln är den minsta enheten i de flesta nya material, och alla dess egenskaper är på ett eller annat sätt kopplade till dess struktur, " sa Frenkel. "Om vi ​​kan förstå det sambandet, vi kan få mycket mer information om hur det kan användas för katalys, energi, och andra ändamål."

Frenkel samarbetar med materialforskaren Eric Stach och andra vid det amerikanska energidepartementets Brookhaven National Laboratory för att utveckla nya sätt att studera hur nanopartiklar beter sig i katalysatorer - "kickstartarna" för kemiska reaktioner som omvandlar bränslen till användbara energiformer och omvandlar råvaror till industriprodukter.

"Vi utvecklar en ny "mikro-reaktor" som gör det möjligt för oss att utforska många aspekter av katalytisk funktion genom att använda flera metoder vid Brookhavens National Synchrotron Light Source (NSLS), den snart färdigställda NSLS-II, och Center for Functional Nanomaterials (CFN), sa Stach, som arbetar på CFN. "Det här tillvägagångssättet låter oss förstå flera aspekter av hur katalysatorer fungerar så att vi kan justera deras design för att förbättra deras funktion. Detta arbete kan leda till stora vinster i energieffektivitet och kostnadsbesparingar för industriella processer."

Högteknologiska verktyg för vetenskap

Tills nu, metoderna för att förstå katalytiska egenskaper kunde bara användas en i taget, med katalysatorn som hamnar i ett annat tillstånd för vart och ett av experimenten. Detta gjorde det svårt att jämföra information som erhållits med de olika instrumenten. Den nya mikroreaktorn kommer att använda flera tekniker - mikroskopi, spektroskopi, och diffraktion – för att undersöka olika egenskaper hos katalysatorer samtidigt under driftsförhållanden. Genom att hålla partiklar i samma strukturella och dynamiska tillstånd under samma reaktionsförhållanden, mikroreaktorn kommer att ge forskarna en mycket bättre känsla för hur de fungerar.

"Denna utveckling är resultatet av kombinationen av unika faciliteter som finns tillgängliga i Brookhaven, " sa Frenkel. "Genom att arbeta nära Eric, vi insåg att det fanns ett sätt att få både röntgen- och elektronbaserade metoder att fungera på ett verkligt komplementärt sätt.

Varje teknik har styrkor, Stach förklarade. "På NSLS, använda kraftfulla strålar av röntgenstrålar, vi kan berätta hur hela gruppen av nanopartiklar beter sig, medan elektronmikroskopi vid CFN låter oss se atomstrukturen för varje nanopartikel. Genom att ha båda dessa synpunkter på katalysatorerna kan vi tydligare förstå förhållandet mellan katalysatorstruktur och funktion."

Sa Frenkel, "Det var mycket tillfredsställande för oss att genomföra de första testerna med reaktorn vid varje anläggning och få positiva resultat. Jag är särskilt tacksam mot Ryan Tappero, vetenskapsmannen som driver NSLS beamline X27A, för hans experthjälp med röntgendatainsamling."

Frenkel har haft ett pågående samarbete med forskare vid Brookhaven. Förra året, med postdoktoral forskarassistent Qi Wang, Frenkel och Stach mätte egenskaperna hos nanopartiklar med hjälp av röntgenstrålar som produceras av NSLS samt atomisk skala avbildning med elektroner vid CFN. Som rapporterats i en tidning publicerad i Journal of the American Chemical Society tidigare i år, de upptäckte att snarare än att helt förändras från ett tillstånd till ett annat vid en viss temperatur och storlek, som man tidigare trott, det finns en övergångszon mellan tillstånd när partiklar ändrar form.

"Detta är av betydelse i grunden eftersom hittills, strukturerna var kända för att bara förändras från en form till en annan - de var aldrig tänkt att samexistera i olika former, "Sa Frenkel. "Med vår information kan vi förklara varför katalysatorer ofta inte fungerar som förväntat och hur man kan förbättra dem."

Utbildning för unga forskare

Samarbetet erbjuder också möjligheter för studenter att uppleva forskningsutmaningar, ger dem tillgång till verktygen i världsklass på Brookhaven. Frenkels studenter vid Yeshiva Universitys Stern College for Women hjälper till med mätningar, dataanalys, och tolkning, och många har redan följt med honom till Brookhaven för att hjälpa till i hans arbete med NSLS och andra banbrytande instrument.

"Jag ger dem förstahandserfarenhet om hur en forskares liv är tidigt när de bedriver förstklassig forskning, " sade Frenkel. "Den här upplevelsen öppnar dörrar till alla områden de vill vara i."

Alyssa Lerner, en pre-engineering major som har arbetat med Frenkel på Brookhaven, sa att forskningen "har hjälpt mig att utveckla färdigheter som beräkningsanalys och kritiskt tänkande, som är väsentliga inom alla vetenskapliga områden. Den praktiska experimentella erfarenheten har gett mig en bättre förståelse för hur det vetenskapliga samfundet fungerar, hjälpa mig att göra mer välgrundade karriärrelaterade val när jag fortsätter att avancera min utbildning."

Att koppla ihop elever och mentorer för att avancera utbildning och använda sig av kompletterande bildtekniker för att förbättra energieffektiviteten – bara två av de positiva resultaten av detta framgångsrika samarbete.

"Genom att sammanföra flera kompletterande tekniker för att belysa samma process kommer vi att förstå hur nanomaterial fungerar, " sa Frenkel. "I slutändan, denna forskning kommer att skapa ett bättre sätt att använda, lagring, och omvandla energi."