Пористые наночастицы — это крошечные сферы, созданные в лаборатории, которые включают в себя еще более мелкие параллельные каналы или поры. В каталитических процессах каждый канал внутри частицы покрыт каталитическими центрами, которые превращают реагент в продукт.
Что привлекает в пористых наночастицах, так это то, что стенки пор обеспечивают значительную площадь поверхности для поддержки каталитических центров в сверхмалой сфере. И, как и следовало ожидать, чем больше пор, чем больше площадь поверхности, тем лучше каталитическая реакция.
«Обратной стороной является то, что, когда каталитические центры находятся в узких порах, как в случае с мезопористыми наночастицами, вся реакция, включая движение реагентов и продуктов, должна происходить в узком канале», — сказал Джим Эванс, ученый из лаборатории Эймса. кто руководил исследованием. "Как и любой, кто пытается обойти многолюдный проход в продуктовом магазине, не всегда так просто пройти мимо других в очень узком пространстве."
Таким образом, оптимальный дизайн мезопористых наночастиц зависит от диаметра отдельных каналов: достаточно узкий, чтобы вместить как можно больше пор в каждой частице, чтобы максимально увеличить количество каталитических центров, но достаточно широкий, чтобы каталитические продукты и реагенты могли легко вытесняться. друг друга и качественно завершить реакцию. Чтобы определить это «золотое пятно» для диаметра канала, ученые должны лучше понимать, как молекулы движутся мимо друг друга внутри канала.
«В частности, полезно знать, как часто соседняя пара молекул реагента и продукта проходит мимо друг друга по сравнению с тем, как часто они отделяются друг от друга. «Определение этой« вероятности прохождения »для разных диаметров пор и различных соответствующих молекулярных форм помогает определить, насколько узкими могут быть каналы до того, как каталитический выход снизится», — сказал Эванс.
Эванс и его сотрудники провели миллионы экспериментов по моделированию пар молекул сферической формы и пар молекул более неправильной формы. Это позволило точно определить поведение вероятности прохождения для узких пор.
"Однако моделирование становится сложным, а результаты менее надежными для реалистичных молекул неправильной формы со многими степенями свободы вращения. Кроме того, простое моделирование не обязательно обеспечивает глубокое понимание того, какие функции управляют поведением, — сказал Эванс.
Таким образом, он объединил опыт в Лаборатории Эймса как в области теоретической химии, так и в области прикладной математики, чтобы определить и внедрить лучшие теоретические инструменты и инструменты моделирования, чтобы получить более надежные результаты и более глубокое понимание того, как вероятность прохождения падает до нуля при сужении размера канала.
«Это была интегрированная комбинация интенсивного моделирования и новой аналитической теории, которые вместе обеспечили существенный прогресс в нашем понимании этих важных молекулярных процессов прохождения. «Благодаря такому пониманию, в принципе, можно оптимизировать системы пористых наночастиц», — сказал Эванс.
