Kemiska katalysatorer är förändringsagenterna bakom produktionen av nästan allt vi använder i våra dagliga liv, från plast till receptbelagda läkemedel. När rätt katalysatorer blandas med rätt kemiska föreningar, molekyler som annars skulle ta år att interagera gör det på bara några sekunder.

Dock, Att utveckla ens ett katalysatormaterial för att utlösa denna exakta koreografi av atomer kan ta månader, jämna år, när man använder traditionella våtkemiska förfaranden som endast använder kemiska reaktioner, ofta i flytande fas, att odla nanopartiklar.

University of Rochester forskare säger att det finns ett sätt att förkorta den processen dramatiskt - genom att istället använda pulserande lasrar i vätskor för att snabbt skapa noggrant inställda, systematiska uppsättningar av nanopartiklar som enkelt kan jämföras och testas för användning som katalysatorer.

Processen beskrivs i a Kemiska recensioner artikel av Astrid Müller, en biträdande professor i kemiteknik vid University of Rochester som har anpassat tekniken för sitt arbete med hållbara energilösningar. Tre Ph.D. studenter i hennes labb—medförfattare Ryland Forsythe, Connor Cox, och Madeleine Wilsey – genomförde en uttömmande genomgång av nästan 600 tidigare artiklar som involverade användningen av pulsade lasrar i vätskor. Som ett resultat, deras artikel är den mest omfattande, aktuell undersökning av en teknik som först utvecklades 1987.

Pulserande lasrar i vätskor ett "oumbärligt verktyg" för att upptäcka katalysatorer

Så hur fungerar pulsad laser-i-vätska-syntes?

• En pulsad laser riktas mot ett fast material nedsänkt i vätska. Detta skapar en hög temperatur, högtrycksplasma nära ytan av det fasta ämnet.
• När plasman sönderfaller, det förångar molekyler i den omgivande vätskan, leder till en kavitationsbubbla. Inuti bubblan, kemiska reaktioner börjar inträffa mellan partiklar från vätskan och partiklar som ablerades, eller slås loss, från det fasta.
• Efter periodiska expansioner och sammandragningar, kavitationsbubblan imploderar våldsamt, orsakar stötvågor och snabb kylning. Nanopartiklar från bubblan kondenserar i små kluster som injiceras i den omgivande vätskan och blir stabila.

Tekniken med pulsad laser i vätska erbjuder flera fördelar jämfört med traditionell syntes av nanomaterial i våtlabb. Enligt Müller:

• Eftersom reaktionerna är begränsade främst i kavitationsbubblan, de resulterande nanopartiklarna har anmärkningsvärt enhetliga egenskaper. "Varje partikel som görs skapas under samma förhållanden, " hon säger.
• Nanopartiklarnas egenskaper kan enkelt finjusteras genom att justera laserpulserna och den kemiska sammansättningen av den fasta och omgivande vätskan.
• Lasertillverkade nanokatalysatorer är i sig mer aktiva än de som erhålls med våtkemiska metoder.
• Metastabila nanomaterial med icke-jämviktsstrukturer och sammansättningar kan enkelt framställas. Sådana material kan inte tillverkas under måttliga temperaturer och tryck.
• Lasersyntes kan fjärrstyras, öka potentialen för storskaliga industriella tillämpningar.

Pulsad-laser-i-vätskor syntes av nanomaterial är också mycket snabbare än traditionella metoder. Tekniken kan förbereda bulkmängder av en nanopartikel på en timme eller mindre. Systematiska uppsättningar av 70 material kan göras på en vecka.

"Dessa fördelar gör detta till ett oumbärligt verktyg för upptäckt, säger Müller, vars bakgrund inkluderar arbete med laser, material, och elektrokatalys. "Man har ofta folk som kan laser och material, eller kanske elektrokatalys och material, men man får väldigt sällan någon med expertis inom alla tre."

Hon säger, "Det här är vad som tvingade oss att skriva den här uppsatsen, eftersom Müller-gruppen kan sammanföra perspektiven för alla tre områden."

Hur katalysatorer kan bekämpa klimatförändringar

När han arbetade som stabsforskare på Caltech, Müller var pionjär med en anpassning av laser-i-vätskor-tekniken för att förbereda oädla vattendelande elektrokatalysatorer som frigör syre från vatten för att producera rent väte. I Rochester, Müller-gruppen utökar sin expertis för att studera lasertillverkade elektrokatalysatorer som ett sätt att vända klimatskadlig koldioxid (CO) ₂ ) in i ett slutet kretslopp av användbara flytande bränslen, såsom metanol eller etanol.

"Om du skulle bränna dessa bränslen igen, du gör CO ₂ på nytt, så du går runt och runt. Kolet stannar alltid inom kretsloppet, och bidrar inte till mer klimatförändringar, ", säger Müller. "För att det ska fungera behöver vi katalysatorer, och ingen vet ännu vad dessa katalysatorer skulle vara – vad som skulle fungera och varför, och varför andra katalysatorer inte fungerar."

Därav hennes intresse för att använda pulsad laser-i-vätskesyntes för att påskynda processen. "Det är oerhört viktigt eftersom vi inte bara kan sitta och hoppas på det bästa med klimatförändringarna; vi måste arbeta med efterföljande teknologier nu, " hon säger.

Än så länge, pulsad-laser-i-vätska-syntes har endast haft begränsad kommersiell användning. Startkostnaden för att investera i laserteknik är en stötesten för många företag, säger Müller. "Men det kommer att förändras när den här metoden får mer och mer dragkraft, " hon tror.

Tack vare Müllers labb, pulsad-laser-i-vätskor syntes verkligen få mer uppmärksamhet. Inom tre veckor, deras papper hade blivit en egen katalysator genom att laddas ner mer än 1, 500 gånger.