Door kleine gouddeeltjes te onderzoeken met krachtige röntgenstralen, wetenschappers hopen dat ze kunnen leren hoe ze de schadelijke uitstoot van koolmonoxide door motorvoertuigen kunnen verminderen.

Koolmonoxide is een kleurloze, geurloos en gevaarlijk gas geproduceerd door auto's, vrachtwagens en andere voertuigen die fossiele brandstoffen verbranden. Uitlaatsystemen gebruiken een katalysator om die koolmonoxide om te zetten in niet-toxische kooldioxide, maar volgens het Amerikaanse Environmental Protection Agency, brandstofverbrandende voertuigen zijn de grootste bron van koolmonoxide-emissies in de atmosfeer, toe te voegen aan de overvloed aan broeikasgassen in de lucht.

Wetenschappers over de hele wereld werken eraan om die uitstoot te verminderen, en een manier om dit te doen is om meer te weten te komen over de chemische reacties die plaatsvinden in het uitlaatsysteem. Die reacties gebruiken vaak goud als katalysator. Hoewel grote hoeveelheden goud inert zijn, kleine deeltjes ervan zijn een actieve katalysator bij de oxidatie van koolmonoxide, een reactie die het verandert in koolstofdioxide.

Aline Passos en Florian Meneau bestuderen die reactie al jaren. Beiden werken bij het Braziliaanse Synchrotron Light Laboratory (LNLS), Passos als scheikundige en Meneau als natuurkundige. Samen leiden ze een onderzoeksteam dat onlangs de ultraheldere röntgenstralen van de Advanced Photon Source (APS) heeft gebruikt, een U.S. Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility in het Argonne National Laboratory van de DOE, om kleine gouddeeltjes te verlichten terwijl ze een soortgelijke reactie katalyseerden als die in de uitlaat van een auto. De resultaten van dit onderzoek zijn gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

"Als we beter kunnen begrijpen hoe deze katalyse werkt, we kunnen het optimaliseren en verbeteren, "Zei Passos. "Als we de katalysatoren beter kunnen ontwerpen, we kunnen de koolmonoxide beheersen of beperken."

De eigenschappen van deze reactie zijn bekend, Passos en Meneau zeiden:maar het bestuderen van de reactie van een enkel klein gouddeeltje terwijl het deze reactie ondergaat, is nieuw wetenschappelijk terrein, en alleen mogelijk vanwege de technologie die beschikbaar is bij het APS.

Om dit experiment uit te voeren, Passos synthetiseerde gouden nanodeeltjes, ongeveer 60 nanometer in diameter. (Voor schaal, een vel papier is ongeveer 100, 000 nanometer dik.) Ze construeerde ze in twee vormen, bollen en kubussen, en introduceerde een aantal chemische defecten aan sommige van de deeltjes, door de atomaire structuur enigszins te veranderen om te zien of dat invloed had op de manier waarop ze de reactie katalyseerden.

"De atomen in verschillende posities veranderen, en ze veranderen de elektronische en chemische eigenschappen, "Zei Meneau. "Het is bekend hoe je dit moet doen. Maar we hadden eerder alleen het katalysestadium kunnen onderzoeken. We hebben niet kunnen waarnemen wat er tijdens de reactie in een enkel deeltje verandert."

Om dit te bereiken, het Braziliaanse team bracht deze deeltjes vervolgens naar bundellijn 34-ID-C bij de APS, die gespecialiseerd is in zogenaamde "in situ" beeldvormingsexperimenten. Dit betekent dat de APS-röntgenstralen kunnen worden gebruikt om foto's te maken van monsters terwijl ze reacties ondergaan - veranderingen in temperatuur, bijvoorbeeld, of verhoogde druk - in realtime. In dit geval, wetenschappers gebruikten de gouden nanodeeltjes om koolmonoxide te oxideren en legden de veranderingen vast in het kristallijne raamwerk van de deeltjes terwijl de reactie plaatsvond.

Wonsuk Cha, een assistent-fysicus bij Argonne's X-ray Science Division (XSD) en een co-auteur op het papier, werkt al jaren aan in situ experimenten op deze bundellijn. De uitdaging, hij zegt, heeft kamers ontwikkeld voor de experimenten die compatibel zijn met de beeldvormingstechniek.

"Een van de uitdagingen is de kleine omvang van de monsters waarmee we werken, " zei hij. "De bundelgrootte is typisch 500 nanometer breed, en we hebben technieken geperfectioneerd voor het bewaken van de positie van het monster in de straal, waardoor het experiment kan doorgaan."

De techniek die in dit experiment wordt gebruikt, wordt coherente röntgendiffractiebeeldvorming (CDI) genoemd. en Ross Harder, een natuurkundige met XSD, is sinds 2008 de hoofdontwikkelaar van instrumentatie voor die techniek bij Argonne. Voor CDI-experimenten, de röntgenstraal buigt af van het monster en projecteert een patroon van informatie op een detector, en computeralgoritmen worden vervolgens gebruikt om die informatie te interpreteren en er een afbeelding van te maken.

"We kunnen afbeeldingen op nanoschaal zien die we niet kunnen zien met gewoon licht, "Zei Harder. "Er zijn slechts een handvol lichtbronnen in de wereld die dit experiment kunnen doen."

Het resultaat, Meneau zei, is een nieuw beeld van de manier waarop deze nanodeeltjes katalytische reacties ondergaan. Het beeld dat naar voren kwam, is een kaart van de spanning in het deeltje - een maat voor de vormverandering wanneer het monster spanning ondergaat - naar de hoeken en randen, waaruit blijkt dat deze delen van de nanodeeltjes het meest betrokken zijn bij de katalyse.

De gegevens tonen ook aan dat de stam kan worden beïnvloed door geïnduceerde chemische veranderingen, en dat identiek gevormde en grote nanodeeltjes deze reactie niet op dezelfde manier ervaren. Dit betekent dat de reactie zelf potentieel op chemisch niveau kan worden veranderd door de katalysator te veranderen.

Hoewel steekproeven van het formaat dat in dit experiment wordt gebruikt misschien klein lijken, de typische grootte voor een goudkatalysator in industriële toepassingen is vijf nanometer dik, ongeveer de breedte van twee strengen menselijk DNA. Passos en Meneau zeiden dat de volgende stap voor hun onderzoek is om het te verkleinen, met als doel de katalytische reactie in steeds kleinere monsters vast te leggen.

Een grootschalig upgradeproject dat aan de gang is bij het APS zal deze schaalvergroting mogelijk maken, ze zeiden, net als de nieuwe lichtbron bij LNLS, Sirius, die in 2021 online zal gaan. De APS-upgrade verhoogt de helderheid en coherente flux met 100 tot 1, 000 keer vergeleken met de huidige APS, wat de kwaliteit van diffractiebeelden zal verbeteren.

"Zestig nanometer is veel te groot voor de industrie, "Meneau zei, "maar met de APS-upgrade kunnen we kleinere monsters onderzoeken. De nieuwe machines kunnen dit."