Att studera katalytiska processer på en enda nanopartikel i taget, istället för på flera miljarder samtidigt som tidigare varit fallet, kommer att skapa en unik och mer djupgående förståelse för katalytiska reaktioner på nanopartiklar än vad som tidigare varit möjligt – och det kommer samtidigt att lägga grunden för en ny och hållbar energiteknik och kemisk syntes. Det är utgångspunkten för ett femårigt forskningsprojekt vid Chalmers tekniska högskola som har beviljats närmare 36 miljoner kronor från Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse.
"Vi vill producera en helt ny typ av nanoreaktor där det är möjligt att kontrollera transporten av vätska eller gas till och från en enda nanopartikel, " säger Christoph Langhammer, docent i kemisk fysik på Chalmers och en av de sju forskare som ska genomföra projektet.
Nanoreaktorn består av en förslutningsbar kanal med en diameter på under hundra nanometer i vilken en enda nanopartikel, vars storlek, form och kemisk sammansättning har skräddarsytts och analyserats, kommer att bifogas. När en vätska som innehåller reaktantmolekyler injiceras i ena änden av kanalen kommer den att interagera med katalysatornanopartikeln, och molekylerna som skapas i det mötet kommer så småningom att dyka upp från andra änden där de kan analyseras.
"Det unika med en nanokanal av detta slag är att den samlar in och innehåller produkten av en katalytisk process som har ägt rum på en nanopartikel. den koncentrerar molekylerna som bildas till en volym som är liten nog för att inte spädas ut så mycket att de inte längre kan upptäckas. Därmed försäkrar det också att vi verkligen vet att det som kommer ut ur kanalen måste ha integrerats med den specifika nanopartikeln och att vi kan analysera den. Detta skapar också en direkt koppling till kvantmekaniska beräkningar, som är en integrerad del av projektet, eftersom de idag också kan göras på grundval av en nanopartikel. Detta kommer således att tillåta oss att jämföra första principsberäkningar på ett unikt direkt sätt med våra experiment."
Langhammer hoppas att teamet inom fem år framgångsrikt kommer att ha etablerat nanoreaktorn som ett helt nytt sätt att studera katalytiska processer. Den grundläggande förståelsen som kommer att erhållas på detta sätt kan senare vara betydelsefull vid framställning av nya material för att skapa en mer miljövänlig katalys av industriella kemikalier och bränslen, vilket till exempel kan minska koldioxidutsläppen eller andra miljöföroreningar. För att nå detta långsiktiga mål, dock, många små steg måste tas.
Udda konstellation
"Först måste vi bygga nya instrument och, till exempel, lär dig hur du fångar individuella våtkemiskt syntetiserade nanopartiklar inuti en nanokanal. Detta är en stor utmaning, och vi kommer att behöva lära av våra misstag på vägen. Det faktum att vi har fått finansiering i fem år är avgörande, samt möjligheten att ha en ganska stor grupp forskare med expertis inom olika områden för att arbeta tillsammans mot samma mål, säger Langhammer.
De andra medlemmarna i laget är Kasper Moth-Poulsen, Hanna Härelind, Anders Hellman, Fredrik Westerlund, Paul Erhart och Henrik Sundén, allt från fysiken, kemi- eller biologiavdelningar vid Chalmers tekniska högskola, och alla är runt 35-40 år.
"Vi bildar en udda konstellation i det här sammanhanget där KAW-projekt i allmänhet drivs av väletablerade seniora forskare, " säger Christoph Langhammer. "Vi är, dock, en grupp mycket motiverade, ganska unga forskare som kommer att arbeta som ett team för att bedriva spetsforskning och skapa ett nytt experimentellt paradigm inom katalysvetenskap."
