Onderzoeker David Rosenberg onderzoekt beelden van een wit poeder onder een krachtige scanning elektronenmicroscoop. Dichtbij, het poeder lijkt op grof grind, een hoop soortgelijke maar onregelmatige brokken. Dan kijkt hij naar een tweede afbeelding - hetzelfde materiaal geproduceerd door collega Hongyou Fan in plaats van gekocht uit een catalogus - en hij ziet perfect gladde, uniforme bollen.

"Ik heb nog nooit zoiets gezien. Op deze schaal, niemand kan de vorm of de grootte zo goed beheersen. Deze technologie doet beide."

Het uniforme poeder en andere zoals het geproduceerd in Sandia National Laboratories zien er niet alleen mooi uit, ze presteren beter dan commerciële varianten die worden gebruikt om chemische reacties in zonnecellen op gang te brengen en kunnen worden gebruikt om schoon brandende waterstofbrandstof te produceren. Indien ontwikkeld voor de industrie, de nieuwe technologie - onderwerp van een recent artikel in Nano Letters - zou de prestaties kunnen verbeteren en tegelijkertijd de kosten kunnen verlagen van deze en andere katalysatoren die overal worden gebruikt, van het opruimen van het milieu tot de behandeling van kanker.

Het belangrijkste ingrediënt:wasmiddel.

In feite, het is een commerciële versie die lijkt op huishoudelijke afwasmiddel, minus de kleurstoffen en parfums. Fan, de uitvinder van de op wasmiddelen gebaseerde technologie, en zijn team in het gedeelde Advanced Materials Laboratory van de Universiteit van New Mexico gebruiken het actieve ingrediënt in reinigingsoplossingen om grondstoffen op te vangen, net als vet, ze inkapselen in kooien die bestaan ​​uit wasmiddelmoleculen. De kooi fungeert als een moleculaire mal die de grootte en vorm - of morfologie - dicteert van het materiaal dat zich binnenin vormt. Verwijder het wasmiddel, en je blijft achter met schoon, uniforme deeltjes.

"Normaal gesproken, je zou heel weinig controle hebben over de reactie die deze materialen produceert, " zegt Fan. "Dit leidt tot onregelmatige morfologie."

Dat kan een probleem zijn voor de ingenieurs die die materialen gebruiken. Sommige katalysatoren werken niet tenzij ze op een specifieke manier op moleculair niveau zijn gerangschikt. en sommige lichtabsorberende deeltjes die in zonnecellen worden gebruikt, nemen bij bepaalde afmetingen meer zonlicht op dan andere. Wanneer individuele deeltjes onregelmatig zijn, slechts een fractie van het bulkmateriaal presteert zoals het bedoeld is. De rest is dood gewicht, wat het ook moeilijk maakt om de prestaties van de katalysator te voorspellen.

Omdat de deeltjes van Fan uniform en strak gecontroleerd zijn, ingenieurs zouden minder materiaal kunnen gebruiken en hetzelfde effect krijgen als conventionele poeders. In een studie, Fan's versie van een fotokatalysator, die kunnen worden gebruikt om afvalwater te zuiveren, brak vijf keer meer vervuilende stof af dan zijn commerciële tegenhanger. In zijn laatste krant hij demonstreerde vergelijkbare verbeteringen in een materiaal dat katalytisch waterstof produceert.

Consistentie verbetert prestatievoorspellingen

Rosenberg schaalt op en past de technologie toe op zijn explosievenonderzoek voor de nationale veiligheid, waar onvoorspelbare materialen onaanvaardbaar zijn. Naast een team dat de invoer van computermodellen verbetert, "we zagen een ongelooflijke, krachtige applicatie omdat het bijdraagt ​​aan onze modelleringsinspanningen, " hij zegt.

Sandia ontwikkelt computersimulaties zodat Rosenberg en zijn team niet elke keer fysiek onderdelen hoeven te bouwen en testen. Maar aannames die in die modellen worden verwerkt, kunnen de output in gevaar brengen.

Om computerbronnen en tijd te besparen, een simulatie kan aannemen dat deeltjes eenvoudigere vormen hebben of consistenter zijn dan ze in werkelijkheid zijn. Maar, het zal nooit perfect voorspellen hoe het echte materiaal zich gedraagt. De uniforme poeders van de ventilator stemmen het materiaal af op het model, Rosenberg de mogelijkheid bieden om de structuur van de deeltjes te controleren, zodat veel van de wiskundige aannames verdwijnen.

"We zouden naar modellen kunnen kijken die de fysieke kenmerken van het poeder perfect beschrijven, en dat zou ons een ongelooflijk hulpmiddel geven, zowel voor het valideren van bestaande modellen als voor het ontwikkelen van nieuwe."

Verander het wasmiddel, verander de vorm

Fan optimaliseert ook materialen voor mogelijke toepassingen zoals energieconversie in zonnecellen, fototherapie voor de behandeling van kanker en waterstofproductie voor schone brandstofbronnen door bekende deeltjes in geheel nieuwe vormen te creëren. Eén wasmiddel kan resulteren in bollen, maar Fan kan het verwisselen voor een wasmiddel dat schijven produceert, staven of octaëders. In de studie die de fotokatalytische prestatie meet, hij testte acht vormen tegen de commerciële tegenhanger voordat hij de meest effectieve vorm bekroont.

Maar tot nu toe, Fan heeft deze vormen grotendeels met vallen en opstaan ​​ontdekt. Dus hij heeft de hulp ingeroepen van Younan Xia, een professor aan het Georgia Institute of Technology en een pionier in de synthese van nanomaterialen om zijn werk te versnellen.

"We meten fundamentele kinetiek, hoe snel atomen of moleculen worden afgezet op het oppervlak van groeiende nanodeeltjes, Xia zegt. "De uiteindelijke structuur van deeltjes hangt af van die snelheid ten opzichte van de oppervlaktediffusiesnelheid, " of de snelheid waarmee moleculen wegdrijven.

Xia en Fan werken samen om een ​​recept te ontwikkelen om bepaalde vormen na te bootsen op basis van het wasmiddel, temperatuur, pH-waarde en concentratie. Zoals aan knoppen draaien, ze zouden deze inputs kunnen aanpassen om een ​​betrouwbare output te krijgen.

"Als je geen kwantitatieve knop hebt, je zou het experiment honderd keer kunnen uitvoeren voordat je de juiste vorm krijgt, "zegt Xia. "Met een, we hopen dat we het na de eerste of tweede poging goed kunnen doen."