(Phys.org) —Soms komen grote veranderingen voort uit een klein begin. Dat geldt vooral in het onderzoek van Anatoly Frenkel, een professor in de natuurkunde aan de Yeshiva University, die werkt aan het opnieuw uitvinden van de manier waarop we energie gebruiken en produceren door het potentieel van enkele van 's werelds kleinste structuren te ontsluiten:nanodeeltjes.

"Het nanodeeltje is de kleinste eenheid in de meeste nieuwe materialen, en al zijn eigenschappen zijn op de een of andere manier verbonden met zijn structuur, " zei Frenkel. "Als we dat verband kunnen begrijpen, we kunnen veel meer informatie afleiden over hoe het kan worden gebruikt voor katalyse, energie, en andere doeleinden."

Soms komt grote verandering voort uit een klein begin. Dat geldt vooral in het onderzoek van Anatoly Frenkel, een professor in de natuurkunde aan de Yeshiva University, die werkt aan het opnieuw uitvinden van de manier waarop we energie gebruiken en produceren door het potentieel van enkele van 's werelds kleinste structuren te ontsluiten:nanodeeltjes.

"Het nanodeeltje is de kleinste eenheid in de meeste nieuwe materialen, en al zijn eigenschappen zijn op de een of andere manier verbonden met zijn structuur, " zei Frenkel. "Als we dat verband kunnen begrijpen, we kunnen veel meer informatie afleiden over hoe het kan worden gebruikt voor katalyse, energie, en andere doeleinden."

Frenkel werkt samen met materiaalwetenschapper Eric Stach en anderen van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie om nieuwe manieren te ontwikkelen om te bestuderen hoe nanodeeltjes zich in katalysatoren gedragen - de "kickstarters" van chemische reacties die brandstoffen omzetten in bruikbare vormen van energie en transformeren grondstoffen tot industriële producten.

"We ontwikkelen een nieuwe 'microreactor' waarmee we vele aspecten van de katalytische functie kunnen onderzoeken met behulp van meerdere benaderingen bij Brookhaven's National Synchrotron Light Source (NSLS), de binnenkort te voltooien NSLS-II, en het Centrum voor Functionele Nanomaterialen (CFN), " zei Stach, die bij het CFN werkt. "Deze aanpak geeft ons inzicht in meerdere aspecten van hoe katalysatoren werken, zodat we hun ontwerp kunnen aanpassen om hun functie te verbeteren. Dit werk kan leiden tot grote winsten in energie-efficiëntie en kostenbesparingen voor industriële processen."

Hightech tools voor de wetenschap

Tot nu, de methoden voor het begrijpen van katalytische eigenschappen konden slechts één tegelijk worden gebruikt, waarbij de katalysator voor elk van de experimenten in een andere toestand terechtkomt. Dit maakte het moeilijk om informatie die met de verschillende instrumenten werd verkregen met elkaar te vergelijken. De nieuwe microreactor zal meerdere technieken gebruiken:microscopie, spectroscopie, en diffractie - om verschillende eigenschappen van katalysatoren tegelijkertijd onder bedrijfsomstandigheden te onderzoeken. Door deeltjes in dezelfde structurele en dynamische toestand te houden onder dezelfde reactieomstandigheden, de microreactor zal wetenschappers een veel beter idee geven van hoe ze functioneren.

"Deze ontwikkelingen zijn het resultaat van de combinatie van unieke faciliteiten die beschikbaar zijn in Brookhaven, " zei Frenkel. "Door nauw samen te werken met Eric, we realiseerden ons dat er een manier was om zowel röntgen- als elektronengebaseerde methoden op een echt complementaire manier te laten werken.

Elke techniek heeft sterke punten, Stach uitgelegd. "Bij de NS, met behulp van krachtige röntgenstralen, we kunnen zien hoe de hele groep nanodeeltjes zich gedraagt, terwijl elektronenmicroscopie bij de CFN ons de atomaire structuur van elk nanodeeltje laat zien. Door beide opvattingen over de katalysatoren te hebben, kunnen we de relatie tussen de structuur en functie van de katalysator beter begrijpen."

zei Frenkel, "Het was zeer bevredigend voor ons om de eerste tests met de reactor in elke faciliteit uit te voeren en positieve resultaten te krijgen. Ik ben Ryan Tappero in het bijzonder dankbaar, de wetenschapper die NSLS beamline X27A runt, voor zijn deskundige hulp bij het verzamelen van röntgengegevens."

Frenkel heeft een voortdurende samenwerking gehad met wetenschappers van Brookhaven. Vorig jaar, met postdoctoraal onderzoeksmedewerker Qi Wang, Frenkel en Stach hebben de eigenschappen van nanodeeltjes gemeten met behulp van de röntgenstralen geproduceerd door de NSLS en beeldvorming op atomaire schaal met elektronen op de CFN. Zoals gerapporteerd in een paper gepubliceerd in de Tijdschrift van de American Chemical Society eerder dit jaar, ze ontdekten dat in plaats van volledig van de ene toestand naar de andere te gaan bij een bepaalde temperatuur en grootte, zoals eerder werd aangenomen, er is een overgangszone tussen toestanden wanneer deeltjes van vorm veranderen.

"Dit is fundamenteel van belang omdat tot nu toe, het was bekend dat de structuren alleen maar van de ene vorm in de andere veranderden - het was nooit de bedoeling dat ze in verschillende vormen naast elkaar bestonden, Frenkel zei. "Met onze informatie kunnen we uitleggen waarom katalysatoren vaak niet werken zoals verwacht en hoe we ze kunnen verbeteren."

Training voor jonge wetenschappers

De samenwerking biedt ook kansen voor studenten om de uitdagingen van onderzoek, waardoor ze toegang hebben tot de tools van wereldklasse in Brookhaven. Frenkel's niet-gegradueerde studenten van Yeshiva University's Stern College for Women helpen met metingen, data-analyse, en interpretatie, en velen hebben hem al vergezeld naar Brookhaven om te helpen bij zijn werk met behulp van NSLS en andere geavanceerde instrumenten.

"Ik geef ze al vroeg ervaring uit de eerste hand over hoe het leven van een onderzoeker eruit ziet, terwijl ze eersteklas onderzoek doen, "zei Frenkel. "Deze ervaring opent deuren naar elk veld waarin ze willen zijn."

Alyssa Lerner, een pre-engineering majoor die met Frenkel in Brookhaven heeft gewerkt, zei het onderzoek "heeft me geholpen vaardigheden te ontwikkelen zoals computationele analyse en kritisch denken, die essentieel zijn op elk wetenschappelijk gebied. De praktische experimentele ervaring heeft me een beter begrip gegeven van hoe de wetenschappelijke gemeenschap werkt, helpt me om beter geïnformeerde carrière-gerelateerde keuzes te maken terwijl ik doorga met mijn opleiding."

Studenten en mentoren koppelen om het onderwijs vooruit te helpen en gebruik te maken van complementaire beeldtechnieken om de energie-efficiëntie te verbeteren - slechts twee van de positieve resultaten van deze succesvolle samenwerking.

"Door meerdere complementaire technieken samen te brengen om hetzelfde proces te belichten, gaan we begrijpen hoe nanomaterialen werken, ' zei Frenkel. 'Uiteindelijk, dit onderzoek zal zorgen voor een betere manier van gebruik, opslaan, en het omzetten van energie."