Los gases se han utilizado en toda la industria. El gas natural, por ejemplo, se "agrieta" en las refinerías para fabricar productos como el acetileno. La eficiencia de las reacciones gaseosas depende de la dinámica de las moléculas: su rotación, vibración y traslación direccionalmovimiento. Estos movimientos proporcionan la energía cinética para impulsar las reacciones. Al comprender la dinámica de los gases, podemos diseñar sistemas industriales más eficientes y respetuosos con el medio ambiente.
Las moléculas de gas se pueden estudiar mediante microscopía electrónica de transmisión TEM. A diferencia de la microscopía óptica, TEM utiliza un haz de electrones en lugar de luz, y tiene una resolución mucho mayor, capaz de visualizar átomos individuales. Un estudio reciente publicado en Informes científicos , informa el trabajo de un equipo del Instituto de Ciencias Industriales IIS de la Universidad de Tokio que colabora con Hitachi High-Technologies Corp .. Los investigadores utilizaron una versión avanzada de TEM para estudiar la dinámica de gases simples a alta temperatura.
"En TEM, el haz de electrones enérgico se puede utilizar para realizar otro experimento al mismo tiempo, conocido como estructura de borde cercano con pérdida de energía [ELNES]", explica el primer autor del estudio, Hirotaka Katsukura. "Los electrones en el haz danparte de su energía cinética a medida que pasan a través de la muestra. La medición de esta pérdida de energía revela qué elementos están presentes y cómo se unen entre sí ".
En teoría, ELNES también puede medir la dinámica de las moléculas de gas, no solo su enlace químico. Sin embargo, los investigadores nunca antes habían extraído información dinámica de ELNES. El equipo de IIS eligió cuatro gases: oxígeno, metano, nitrógeno y monóxido de carbono- cuya unión se entiende bien, y realizó ELNES a temperatura ambiente y 1,000 ° C. Crucialmente, también realizaron simulaciones por computadora de estos gases, utilizando un código de dinámica molecular, para predecir teóricamente los efectos de la alta temperatura.
En general, cuando las moléculas se calientan, vibran más rápido y los enlaces entre sus átomos se alargan. En los experimentos IIS, dos gases, oxígeno y metano, mostraron cambios dinámicos a altas temperaturas, con vibraciones significativamente más rápidas.Sin embargo, el nitrógeno y el monóxido de carbono no parecían vibrar de manera diferente a 1000 ° C, a pesar de su energía cinética adicional. Además, la vibración simulada de metano a alta temperatura coincidía muy estrechamente con los experimentos, pero se sobreestimó la vibración del oxígeno caliente.
"Las moléculas de gas en un calentador pueden ganar energía cinética de tres maneras", dice el autor correspondiente, Teruyasu Mizoguchi. "Es decir, al rebotar entre sí, al tocar directamente el elemento calefactor o al absorber indirectamente el calor a través de rayos infrarrojos. Esto últimouno solo es posible para gases con enlaces químicos polares, donde un elemento separa electrones del otro. Eso se aplica al metano CH4, pero no al oxígeno, un elemento puro. Por lo tanto, el oxígeno se calienta más lentamente de lo que predijeron las simulaciones ".
Mientras tanto, la falla del nitrógeno y el monóxido de carbono para experimentar excitación vibratoria también fue el resultado de sus enlaces; sin embargo, en este caso, simplemente eran demasiado rígidos para vibrar mucho más rápido. Estos hallazgos subrayan la importancia de incorporar los enlaces químicoscuenta, incluso para procesos aparentemente simples como la vibración de una molécula de dos átomos.
No obstante, el equipo cree que los rápidos desarrollos en ELNES pronto harán que el método sea lo suficientemente sensible como para detectar cambios vibratorios incluso en moléculas rígidas. Esto abrirá el camino hacia una mejor comprensión de las reacciones de gases a nivel atómico.
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Materiales proporcionados por Instituto de Ciencias Industriales, Universidad de Tokio . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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