De juiste maat hebben en bestaan ​​in het voorgeborchte tussen een vaste en een vloeibare toestand, lijken de geheimen te zijn voor het verbeteren van de efficiëntie van chemische katalysatoren die betere nanodeeltjes of efficiëntere energiebronnen kunnen creëren.

Wanneer materie zich in deze overgangstoestand bevindt, een katalysator kan zijn maximale potentieel bereiken met de juiste combinatie van deeltjesgrootte en temperatuur van de katalysator, volgens een paar onderzoekers van de Duke University. Een katalysator is een middel of chemische stof die een chemische reactie mogelijk maakt. Geschat wordt dat bij meer dan 90 procent van de chemische processen die door de industrie worden gebruikt, ooit katalysatoren zijn gebruikt.

Deze bevinding zou brede implicaties kunnen hebben in bijna elke op katalysatoren gebaseerde reactie, volgens een ingenieur en een chemicus bij Duke die hun bevindingen online rapporteerden in het tijdschrift van de American Chemical Society ACS-Nano . Het team ontdekte dat de oppervlakte-tot-volumeverhouding van het katalysatordeeltje - zijn grootte - belangrijker is dan algemeen wordt aangenomen.

"We ontdekten dat de kleinere afmeting van een katalysator tot een snellere reactie zal leiden dan wanneer de bulk, of groter, versie van dezelfde katalysator wordt gebruikt, " zei Stefano Curtarolo, universitair hoofddocent bij de afdeling Werktuigbouwkunde en Materiaalwetenschappen.

"Dit is naast de gebruikelijke overmaat aan oppervlak in de nanodeeltjes, " zei Curtarolo, die drie jaar geleden met de theoretische basis van de bevindingen kwam en deze bevestigd zag door een reeks ingewikkelde experimenten uitgevoerd door Jie Liu, Hertog hoogleraar scheikunde.

"Dit opent een heel nieuw studiegebied, aangezien de thermokinetische toestand van de katalysator niet eerder als een belangrijke factor werd beschouwd, ' zei Curtarolo. 'Het is op het eerste gezicht paradoxaal. Het is hetzelfde als zeggen dat als een auto minder gas verbruikt (een kleiner deeltje), het zal sneller en verder gaan."

Hun reeks experimenten werd uitgevoerd met koolstofnanobuisjes, en de wetenschappers zijn van mening dat dezelfde principes die ze in het artikel hebben beschreven, van toepassing zijn op alle door katalysatoren aangedreven processen.

Liu bewees Curtarolo's hypothese door een nieuwe methode te ontwikkelen voor het meten van niet alleen de lengte van groeiende koolstofnanobuisjes, maar ook hun diameter. Nanobuisjes zijn microscopisch kleine "gaasachtige" buisvormige structuren die in honderden producten worden gebruikt, zoals textiel, zonnepanelen, transistoren, vervuilingsfilters en kogelvrije vesten.

"Normaal gesproken, nanobuisjes groeien op een ongeorganiseerde manier uit een plat oppervlak en zien eruit als een bord spaghetti, dus het is onmogelijk om een ​​individuele buis te meten, " zei Liu. "We waren in staat om ze in individuele parallelle strengen te laten groeien, waardoor we zowel de groeisnelheid als de lengte van de groei konden meten."

Door deze nanobuisjes te kweken met verschillende katalysatordeeltjesgroottes en bij verschillende temperaturen, Liu was in staat om de "sweet spot" te bepalen waarop de nanobuisjes het snelst en het langst groeiden. Zoals later bleek, dit gebeurde toen het deeltje in zijn viskeuze toestand was, en dat kleiner beter was dan groter, precies zoals eerder voorspeld.

Deze metingen vormden de experimentele onderbouwing van Curtarolo's hypothese dat gegeven een bepaalde temperatuur, kleinere nanodeeltjes zijn effectiever en efficiënter per oppervlakte-eenheid dan grotere katalysatoren van hetzelfde type wanneer ze zich in die dimensie tussen vast en vloeibaar bevinden.

"Typisch, op dit gebied staan ​​de experimentele resultaten voorop, en de uitleg komt later, " zei Liu. "In dit geval, wat ongebruikelijk is, we namen de hypothese en waren in staat om een ​​methode te ontwikkelen om deze in het laboratorium te bewijzen."