Theoretische natuurkundigen hebben een wiskundig model bedacht van twee verschillende moleculen die reageren in zogenaamde nanoreactoren die als katalysatoren werken. Ze kregen verrassende nieuwe inzichten over welke factoren reacties bevorderen en hoe ze te controleren en te selecteren. Het model is relevant voor een breed scala aan onderzoeksgebieden, van biofysica tot energiematerialen.

Nanoreactoren zijn kleine systemen die specifieke chemische reacties mogelijk maken, zoals een katalysator doet. Velen zijn te vinden in biologische systemen, zoals bepaalde eiwitten. Maar scheikundigen zijn ook in staat kunstmatige nanoreactoren te synthetiseren om chemische reacties te beheersen. Een belangrijke klasse van deze nanoreactoren heeft een "dooier &schaal"-architectuur als een ei:een katalytisch actief metalen nanodeeltje is omgeven door een schaal bestaande uit een polymeer netwerk. Dit soort nanoreactoren kunnen geïsoleerde omgevingen creëren voor specifieke reacties en deze beperken tot de kleine ruimte in de schaal.

Wiskundige beschrijving levert nieuwe inzichten op

"We hebben nu voor het eerst wiskundig beschreven hoe twee verschillende moleculen worden getransporteerd om binnen nanoreactoren te reageren. Het nieuwe model laat duidelijk zien welke factoren een bepaalde reactie bevorderen", zegt dr. Rafael Roa. Roa is eerste auteur van de publicatie in ACS Katalyse en een postdoc in de groep onder leiding van prof.dr. Joe Dzubiella bij het HZB Institute for Soft Matter and Functional Materials.

Wat het belangrijkst is?

Sommige resultaten komen als een verrassing:in tegenstelling tot de verwachtingen, de reactiesnelheid wordt niet zozeer beperkt door de concentratie van de moleculen in oplossing, maar beslissend door de permeabiliteit van de schaal van de nanoreactor. "Dit is buitengewoon interessant omdat scheikundigen tegenwoordig vaak de permeabiliteit van deze schillen kunnen verfijnen of zelfs kunnen omschakelen naar specifieke moleculen via variaties in temperatuur of andere parameters", legt co-auteur Dr. Won Kyu Kim uit.

Rekening gehouden met foto-activering

Het nieuwe model is een grote stap voorwaarts ten opzichte van de oudere theorie die vele decennia eerder werd gedaan en die slechts één molecuul aankon. "Ons model is toepasbaar op onderzoek naar energiematerialen, en het kan zelfs rekening houden met foto-activering van een van de moleculen op de schaal door zonlicht", zegt Dzubiella. Met dit werk heeft hij een van de doelen van zijn European Research Council (ERC) Consolidator Grant (2015-2020) bereikt.

Voorspellingen worden op de proef gesteld

Dzubiella's Soft Matter Theory-groep werkt samen met HZB-chemicus prof. Yan Lu, een erkend expert in synthetische nanoreactoren. Ze staan ​​te popelen om hun theoretische voorspellingen te testen op echte systemen. "We kunnen nu beter begrijpen wat er gebeurt, en we verwachten te voorspellen hoe de katalytische effecten van dit soort nanoreactoren kunnen worden gecontroleerd - via feedbackloops, bijvoorbeeld, die de reactie naar believen zal stoppen of starten."