Kemister har mätt effekterna av nanokonfinering i katalys genom att spåra enskilda molekyler när de dyker ner "nanowells" och reagerar med katalysatorer i botten.

Brunnarna i dessa experiment är bara i genomsnitt 2,3 miljarder meter bred och cirka 80 till 120 miljarder meter djupa. Dessa små kanaler ger tillgång till en platina -katalysator som ligger mellan de fasta kärnorna och porösa skal av kiseldioxidkulor. Och de hjälper ett team av kemister att förstå hur sådan nanokonfinering av katalysatorer påverkar reaktionerna.

Tidigare studier av reaktionerna har begränsats till teoretiskt arbete med förenklade modeller och experiment efter en samling molekyler. Denna studie kunde samla in enmolekyldata eftersom experimentet skapade en fluorescerande molekyl som kunde tändas, avbildat och spårat - även vid nanokonfinering.

"Denna nanokonfinansieringseffekt är inte väl förstådd, särskilt på en kvantitativ nivå, "sa Wenyu Huang, en docent i kemi vid Iowa State University och en associerad med U.S. Department of Energy's Ames Laboratory.

En ny tidning som nyligen publicerades online av tidningen Naturkatalys rapporterar att, I detta fall, "reaktionshastigheten ökar avsevärt i närvaro av nanokonfinition, "skrev Huang och ett team av medförfattare.

Huang och Ning Fang, docent i kemi vid Georgia State University i Atlanta, är huvudförfattare till tidningen. Ett treårigt, $ 550, 000 bidrag från National Science Foundation stödde projektet.

Huangs Iowa State lab skapades, studerat och beskrivit sfärerna med flera lager och deras nanowells med föreskriven längd. Fangs laboratorium i Georgia State använde laser- och mikroskopisk bildteknik för att spåra molekylerna och mäta reaktionerna.

Det var en stor utmaning för forskarna. Sådana mätningar hade aldrig gjorts experimentellt "på grund av de till synes oöverstigliga tekniska utmaningarna att spåra enskilda molekyler dynamiskt i komplexa nanoporösa strukturer under reaktionsförhållanden, "skrev kemisterna i sin tidning.

De, dock, utvecklade en experimentell teknik som framgångsrikt spårade mer än 10, 000 molekylbanor för en modellkatalytisk reaktion. (Reaktionen involverade en molekyl som kallas amplexröd som reagerar med väteperoxid på ytan av platina nanopartiklar för att generera en produktmolekyl som kallas resorufin, som är en mycket fluorescerande molekyl.)

Förutom att finna att nanokonfinering ökade reaktionshastigheten, experimenten visade att det var mindre vidhäftning av molekylerna till ytan av platina -nanopartiklarna.

Nu när de har demonstrerat sina experimentella tekniker och gjort inledande slutsatser, kemisterna planerar att utöka sitt projekt.

"När vi väl förstår den här modellen, vi kan titta på mer komplicerade reaktioner, Sa Huang.

Och det kan leda till bättre katalysatorer.

Som kemisterna skrev i sin tidning, "Detta arbete banar väg för forskning att kvantitativt differentiera, utvärdera och förstå de komplexa nanokonfinansieringseffekterna på dynamiska katalytiska processer, på så sätt vägleda den rationella utformningen av högpresterande katalysatorer. "