Punkter är viktiga när man designar nanopartiklar som driver viktiga kemiska reaktioner med hjälp av ljusets kraft.

Forskare vid Rice University's Laboratory for Nanophotonics (LANP) har länge vetat att en nanopartikels form påverkar hur den interagerar med ljus, och deras senaste studie visar hur formen påverkar en partikels förmåga att använda ljus för att katalysera viktiga kemiska reaktioner.

I en jämförande studie, LANP-studenter Lin Yuan och Minhan Lou och deras kollegor studerade nanopartiklar av aluminium med identiska optiska egenskaper men olika former. Den mest rundade hade 14 sidor och 24 trubbiga poäng. En annan var kubformad, med sex sidor och åtta 90-graders hörn. Den tredje, som laget kallade "bläckfisk, "hade också sex sidor, men vart och ett av dess åtta hörn slutade i en spetsig spets.

Alla tre varianterna har förmågan att fånga energi från ljus och frigöra den periodvis i form av superenergetiska heta elektroner som kan påskynda katalytiska reaktioner. Yuan, en kemist i forskargruppen för LANP-chefen Naomi Halas, genomförde experiment för att se hur väl var och en av partiklarna fungerade som fotokatalysatorer för vätedissociationsreaktion. Testerna visade att bläckfiskar hade en 10 gånger högre reaktionshastighet än de 14-sidiga nanokristallerna och fem gånger högre än nanokuberna. Bläckfiskar hade också en lägre skenbar aktiveringsenergi, cirka 45 % lägre än nanokuber och 49 % lägre än nanokristaller.

"Experimenten visade att skarpare hörn ökade effektiviteten, sa Yuan, medförfattare till studien, som publiceras i tidskriften American Chemical Society ACS Nano. "För bläckfiskarna, vinkeln på hörnen är cirka 60 grader, jämfört med 90 grader för kuberna och mer rundade punkter på nanokristallerna. Så ju mindre vinkel, desto större är ökningen i reaktionseffektivitet. Men hur liten vinkeln kan vara begränsas av kemisk syntes. Dessa är enkristaller som föredrar vissa strukturer. Du kan inte göra oändligt mycket mer skärpa."

Lou, en fysiker och studiehuvudförfattare i forskargruppen för LANP:s Peter Nordlander, verifierade resultaten av de katalytiska experimenten genom att utveckla en teoretisk modell av den heta elektronenergiöverföringsprocessen mellan de ljusaktiverade aluminiumnanopartiklarna och vätemolekylerna.

"Vi matar in ljusets våglängd och partikelform, " sa Lou. "Med dessa två aspekter, vi kan exakt förutsäga vilken form som kommer att producera den bästa katalysatorn."

Arbetet är en del av en pågående grön kemisatsning av LANP för att utveckla kommersiellt gångbara ljusaktiverade nanokatalysatorer som kan infoga energi i kemiska reaktioner med kirurgisk precision. LANP har tidigare visat katalysatorer för eten- och syngasproduktion, spjälkning av ammoniak för att producera vätebränsle och för att bryta isär "för alltid kemikalier".

"Denna studie visar att fotokatalysatorform är ett annat designelement som ingenjörer kan använda för att skapa fotokatalysatorer med högre reaktionshastigheter och lägre aktiveringsbarriärer, sa Halas, Rices Stanley C. Moore professor i elektro- och datateknik, chef för Rice's Smalley-Curl Institute och professor i kemi, bioteknik, fysik och astronomi, och materialvetenskap och nanoteknik.