Forskaren David Rosenberg undersöker bilder av ett vitt pulver under ett kraftfullt svepelektronmikroskop. Nära, pulvret ser ut som grovt grus, en hög med liknande men oregelbundna bitar. Sedan tittar han på en andra bild – samma material producerat av kollegan Hongyou Fan istället för att köpa från en katalog – och han ser perfekt slät, enhetliga sfärer.

"Jag har aldrig sett något liknande. I den här omfattningen, ingen kan kontrollera formen eller storleken så bra. Den här tekniken gör både och."

Det enhetliga pulvret och liknande som produceras på Sandia National Laboratories ser inte bara snyggt ut, de överträffar kommersiella sorter som används för att få igång kemiska reaktioner i solceller och skulle kunna användas för att producera rent vätebränsle. Om den utvecklas för industrin, den nya tekniken – föremål för en nyligen publicerad artikel i Nano Letters – skulle kunna förbättra prestandan samtidigt som den minskar kostnaderna för dessa och andra katalysatorer som används överallt från miljösanering till cancerbehandling.

Dess nyckelingrediens:tvättmedel.

Faktiskt, det är en version av kommersiell kvalitet inte olikt hushållsdiskmedel, minus färgämnen och parfymer. Fläkt, uppfinnaren av den tvättmedelsbaserade tekniken, och hans team vid det delade Advanced Materials Laboratory vid University of New Mexico använder den aktiva ingrediensen i rengöringslösningar för att fånga upp råmaterial precis som fett, kapsla in dem i burar som består av tvättmedelsmolekyler. Buren fungerar som en molekylär form som dikterar storleken och formen - eller morfologin - av materialet som bildas inuti. Ta bort tvättmedlet, och du är kvar med ren, enhetliga partiklar.

"I vanliga fall, du skulle ha mycket liten kontroll över reaktionen som producerar dessa material, " säger Fan. "Detta leder till oregelbunden morfologi."

Det kan vara ett problem för ingenjörerna som använder dessa material. Vissa katalysatorer fungerar inte om de inte är ordnade på specifika sätt på molekylär nivå, och vissa ljusabsorberande partiklar som används i solceller suger upp mer solljus i vissa storlekar än andra. När enskilda partiklar är oregelbundna, endast en bråkdel av bulkmaterialet fungerar som det är tänkt. Resten är dödvikt, vilket också gör det svårt att förutsäga katalysatorns prestanda.

Eftersom Fans partiklar är enhetliga och hårt kontrollerade, ingenjörer kunde använda mindre material och få samma effekt som konventionella pulver. I en studie, Fansens version av en fotokatalysator, som kan användas för att rena avloppsvatten, bröts ned fem gånger mer förorenande än sin kommersiella motsvarighet. I sin senaste tidning, han visade liknande förbättringar i ett material som katalytiskt producerar väte.

Konsistens förbättrar prestationsprognoser

Rosenberg skalar upp och tillämpar tekniken på sin sprängämnesforskning för nationell säkerhet, där oförutsägbara material är oacceptabla. Tillsammans med ett team som förbättrar indata till datormodeller, "vi såg en otrolig, kraftfull applikation när den matas in i våra modelleringsarbete, " han säger.

Sandia utvecklar datorsimuleringar så att Rosenberg och hans team inte behöver fysiskt bygga och testa delar varje gång. Men antaganden som sätts in i dessa modeller kan äventyra resultatet.

För att spara datorresurser och tid, en simulering kan anta att partiklar har enklare former eller är mer konsekventa än de verkligen är. Men, den kommer aldrig perfekt att förutsäga hur det verkliga materialet fungerar. Fläktens enhetliga pulver anpassar materialet till modellen, ger Rosenberg förmågan att kontrollera partiklarnas struktur så att många av de matematiska antagandena försvinner.

"Vi skulle kunna titta på modeller som perfekt beskriver pudrets fysiska egenskaper, och det skulle ge oss ett otroligt verktyg både för att validera befintliga modeller och för att utveckla nya."

Byt tvättmedel, ändra formen

Fläkten optimerar också material för potentiella tillämpningar som energiomvandling i solceller, fototerapi för cancerbehandling och väteproduktion för rena bränslekällor genom att skapa välkända partiklar i helt nya former. Ett tvättmedel kan resultera i sfärer, men fläkten kan byta ut den mot ett rengöringsmedel som producerar skivor, stavar eller oktaedrar. I studien som mätte fotokatalytisk prestanda, han testade åtta former mot den kommersiella motsvarigheten innan han krönte den mest effektiva formen.

Men hittills, Fan har till stor del upptäckt dessa former genom försök och misstag. Så han har tagit hjälp av Younan Xia, en professor vid Georgia Institute of Technology och en pionjär inom nanomaterialsyntes för att påskynda sitt arbete.

"Vi mäter grundläggande kinetik, hur snabbt atomer eller molekyler avsätts på ytan av växande nanopartiklar, " säger Xia. "Den slutliga strukturen av partiklar beror på den hastigheten i förhållande till ytdiffusionshastigheten, " eller hastigheten med vilken molekyler driver iväg.

Xia och Fan arbetar tillsammans för att utveckla ett recept för att replikera vissa former baserat på tvättmedlet, temperatur, pH-värde och koncentration. Som att vrida på rattarna, de kunde justera dessa ingångar för att få en tillförlitlig utgång.

"Om du inte har en kvantitativ ratt, du kanske utför experimentet hundra gånger innan du får rätt form, " säger Xia. "Med en, vi hoppas att vi kan få det direkt efter första eller andra försöket."