Het bestuderen van katalytische processen op één enkel nanodeeltje tegelijk, in plaats van op meerdere miljarden tegelijk, zoals voorheen het geval was, zal een uniek en diepgaander begrip van katalytische reacties op nanodeeltjes creëren dan voorheen mogelijk was - en het zal tegelijkertijd de basis leggen voor een nieuwe en duurzame energietechnologie en chemische synthese. Dit is het uitgangspunt voor een vijfjarig onderzoeksproject aan de Chalmers University of Technology, dat bijna SEK 36 miljoen heeft gekregen van de Knut and Alice Wallenberg Foundation.

"We willen een geheel nieuw type nanoreactor produceren waarbij het mogelijk is om het transport van vloeistof of gas van en naar een enkel nanodeeltje te regelen, " zegt Christoph Langhammer, universitair hoofddocent chemische fysica bij Chalmers en een van de zeven onderzoekers die het project gaan leiden.

De nanoreactor bestaat uit een afsluitbaar kanaal met een diameter van minder dan honderd nanometer waarin een enkel nanodeeltje, wiens maat, vorm en chemische samenstelling zijn op maat gemaakt en geanalyseerd, zal worden ingesloten. Wanneer een vloeistof die reactantmoleculen bevat aan het ene uiteinde van het kanaal wordt geïnjecteerd, zal het een interactie aangaan met het katalysatornanodeeltje, en de moleculen die tijdens die ontmoeting worden gecreëerd, zullen uiteindelijk aan de andere kant tevoorschijn komen waar ze kunnen worden geanalyseerd.

"Het unieke van zo'n nanokanaal is dat het het product van een katalytisch proces dat op één nanodeeltje heeft plaatsgevonden, verzamelt en bevat. het concentreert de gevormde moleculen tot een volume dat klein genoeg is om niet zodanig te worden verdund dat ze niet meer kunnen worden gedetecteerd. Het zorgt er dus ook voor dat we echt weten dat wat uit het kanaal komt geïntegreerd moet zijn met dat specifieke nanodeeltje en dat we het kunnen analyseren. Dit creëert ook een directe link naar kwantummechanische berekeningen, die integraal deel uitmaken van het project, omdat ze tegenwoordig ook kunnen worden gedaan op basis van één nanodeeltje. Dit stelt ons dus in staat om de eerste principes-berekeningen op een unieke directe manier te vergelijken met onze experimenten."

Langhammer hoopt dat het team binnen vijf jaar de nanoreactor succesvol zal hebben ontwikkeld als een geheel nieuwe manier om katalytische processen te bestuderen. Het fundamentele begrip dat op deze manier wordt verkregen, kan vervolgens van belang zijn bij het produceren van nieuwe materialen om een ​​milieuvriendelijkere katalyse van industriële chemicaliën en brandstoffen te creëren, die bijvoorbeeld de uitstoot van kooldioxide of andere milieuverontreinigingen kunnen verminderen. Om dit langetermijndoel te bereiken, echter, er moeten veel kleine stappen worden gezet.

Vreemd sterrenbeeld

"Eerst moeten we nieuwe instrumenten bouwen en, bijvoorbeeld, leer hoe je individuele nat-chemisch gesynthetiseerde nanodeeltjes in een nanokanaal kunt vangen. Dit is een grote uitdaging, en we zullen onderweg van onze fouten moeten leren. Het feit dat we voor vijf jaar financiering hebben gekregen, is van cruciaal belang, evenals de mogelijkheid om een ​​vrij grote groep onderzoekers met expertise op verschillende gebieden te hebben om samen aan dezelfde doelen te werken, ' zegt Langhammer.

De andere leden van het team zijn Kasper Moth-Poulsen, Hanna Harelind, Anders Hellman, Frederik Westerlund, Paul Erhart en Henrik Sundén, allemaal uit de natuurkunde, afdelingen scheikunde of biologie aan de Chalmers University of Technology, en die allemaal rond de 35-40 jaar oud zijn.

"We vormen een vreemde constellatie in deze context waar KAW-projecten over het algemeen worden uitgevoerd door gerenommeerde senior onderzoekers, " zegt Christoph Langhammer. "Wij zijn, echter, een groep zeer gemotiveerde vrij jonge onderzoekers die als een team zullen werken om baanbrekend onderzoek te doen en een nieuw experimenteel paradigma in de katalysewetenschap te creëren."