Los catalizadores químicos son los agentes de cambio detrás de la producción de casi todo lo que usamos en nuestra vida diaria, desde plásticos hasta medicamentos recetados. Cuando los catalizadores correctos se mezclan con los compuestos químicos correctos, las moléculas que de otro modo tardarían años en interactuar lo hacenen meros segundos.
Sin embargo, desarrollar incluso un material catalizador para activar esta coreografía precisa de átomos puede llevar meses, incluso años, cuando se utilizan procedimientos tradicionales de química húmeda que utilizan solo reacciones químicas, a menudo en fase líquida, para hacer crecer nanopartículas.
Los investigadores de la Universidad de Rochester dicen que hay una manera de acortar ese proceso drásticamente, utilizando en su lugar láseres pulsados en líquidos para crear rápidamente matrices sistemáticas y cuidadosamente ajustadas de nanopartículas que se pueden comparar y probar fácilmente para su uso como catalizadores.
El proceso se describe en a Revisiones químicas artículo de Astrid Müller, profesora asistente de ingeniería química en la Universidad de Rochester que ha adaptado la técnica para su trabajo sobre soluciones de energía sostenible. Tres estudiantes de doctorado en su laboratorio, los coautores Ryland Forsythe, Connor Cox y Madeleine Wilsey,- llevó a cabo una revisión exhaustiva de casi 600 artículos anteriores sobre el uso de láseres pulsados en líquidos. Como resultado, su artículo es el estudio más completo y actualizado de una tecnología que se desarrolló por primera vez en 1987.
Láseres pulsados en líquidos, una 'herramienta indispensable' para descubrir catalizadores
Entonces, ¿cómo funciona la síntesis de láser pulsado en líquido?
- Un láser pulsado se dirige a un material sólido sumergido en líquido. Esto crea un plasma de alta temperatura y alta presión cerca de la superficie del sólido.
- A medida que el plasma se descompone, vaporiza moléculas en el líquido circundante, lo que lleva a una burbuja de cavitación. Dentro de la burbuja, comienzan a ocurrir reacciones químicas entre las partículas del líquido y las partículas que fueron eliminadas o desprendidas del sólido.
- Después de expansiones y contracciones periódicas, la burbuja de cavitación implosiona violentamente, provocando ondas de choque y un enfriamiento rápido. Las nanopartículas de la burbuja se condensan en pequeños grupos que se inyectan en el líquido circundante y se vuelven estables.
La técnica de láser pulsado en líquidos ofrece múltiples ventajas sobre la síntesis tradicional de nanomateriales en laboratorio húmedo. Según Müller :
- Debido a que las reacciones están confinadas principalmente dentro de la burbuja de cavitación, las nanopartículas resultantes tienen propiedades notablemente uniformes. "Cada partícula que se produce se crea en las mismas condiciones", dice ella.
- Las propiedades de las nanopartículas se pueden ajustar fácilmente ajustando los pulsos del láser y las composiciones químicas del sólido y el fluido circundante.
- Los nanocatalizadores hechos con láser son intrínsecamente más activos que los obtenidos por métodos de química húmeda. Se pueden producir fácilmente nanomateriales metaestables con estructuras y composiciones que no están en equilibrio. Estos materiales no se pueden fabricar a temperaturas y presiones moderadas.
- La síntesis láser se puede controlar de forma remota, lo que aumenta el potencial para aplicaciones industriales a gran escala.
- La síntesis de nanomateriales con láser pulsado en líquidos también es mucho más rápida que los métodos tradicionales. La técnica puede preparar cantidades a granel de una nanopartícula en una hora o menos. Se pueden hacer matrices sistemáticas de 70 materiales en una semana.
"Estas ventajas hacen de esto una herramienta indispensable para el descubrimiento", dice Müller, cuya experiencia incluye el trabajo en láseres, materiales y electrocatálisis. "A menudo hay personas que conocen láseres y materiales, o tal vez electrocatálisis y materiales, peromuy rara vez se consigue a alguien con experiencia en los tres ".
Ella dice: "Esto es lo que nos impulsó a escribir este artículo, porque el grupo de Müller puede reunir las perspectivas de los tres campos".
Cómo los catalizadores pueden combatir el cambio climático
Mientras trabajaba como científica de planta en Caltech, Müller fue pionera en la adaptación de la técnica del láser en líquidos para preparar electrocatalizadores no valiosos que separan el agua que liberan oxígeno del agua para producir hidrógeno limpio. En Rochester, el grupo Müller amplía su experienciaestudiar los electrocatalizadores hechos con láser como una forma de convertir el dióxido de carbono CO2, que daña el clima, en un ciclo cerrado de combustibles líquidos útiles, como el metanol o el etanol.
"Si volviera a quemar estos combustibles, vuelve a producir CO2, por lo que da vueltas y vueltas. El carbono siempre permanece dentro del ciclo y no contribuye a más cambio climático", dice Müller. "Para que eso funcionenecesitamos catalizadores, y nadie sabe todavía cuáles serían esos catalizadores, qué funcionaría y por qué, y por qué otros catalizadores no funcionan ".
De ahí su interés en utilizar la síntesis de láser pulsado en líquido para acelerar el proceso. "Es muy importante porque no podemos simplemente sentarnos y esperar lo mejor con el cambio climático; necesitamos trabajar en tecnologías sucesoras ahora," ella dice.
Hasta ahora, la síntesis de láser pulsado en líquido ha tenido un uso comercial limitado. El costo inicial de invertir en tecnología láser es un obstáculo para muchas empresas, dice Müller. "Pero eso cambiará a medida que este método se desarrollecada vez más tracción ", cree.
Gracias al laboratorio de Müller, la síntesis de láser pulsado en líquidos ciertamente está recibiendo más atención. Su papel se ha convertido en un catalizador propio al ser descargado más de 2.400 veces.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Rochester . Original escrito por Bob Marcotte. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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