Um grupo de cientistas liderado pela Universidade Noroeste, pela primeira vez, observou diretamente a ação da catálise no nível nuclear.
Nos novos vídeos divertidos, os átomos únicos se movem durante uma reação química e tremor que remove os átomos de hidrogênio de moléculas de álcool. Os pesquisadores descobriram o processo em tempo real, bem como várias moléculas médias de curto prazo associadas à reação, bem como ao caminho de resposta anteriormente oculto.
Uma única microscopia eletrônica de resolução nuclear única (SMART-EM) foi possível, é um material poderoso que permite que os pesquisadores vejam a reação de moléculas individuais em tempo real.
Dessa maneira, os catalisadores que observam as reações ajudam a entender como os catalisadores funcionam. Essas novas idéias podem levar ao design de processos químicos mais eficientes e sustentáveis.
Este estudo será publicado na revista sexta -feira (7 de abril) CamO
“Esse processo imagina e segue o processo de reação que podemos entender exatamente o que está acontecendo nos melhores detalhes”, disse o primeiro e co-associado autor deste estudo, Yosi Craratish, no noroeste. “No passado, não podíamos ver como os átomos se afastaram. Agora podemos. Quando percebi o que alcançamos, tive que fechar meu laptop e fazer algumas horas. Ninguém na catálise fez isso antes, então fiquei chocado”.
“Os catalisadores tornam a vida moderna possível”, diz o noroeste de Tobin J Marx, autor sênior de pesquisa. “Eles são usados para fazer de tudo, desde combustível e fertilizante a plástico e medicamentos. Precisamos entender exatamente como os catalisadores funcionam em níveis nucleares para tornar os processos químicos mais eficientes e ecológicos. Nosso estudo é um grande passo para alcançá -lo”.
Charles E é o especialista em Catalogis, Marx. O Craratish Marx Group é professor assistente de pesquisa de química. Michael Bedzik, professor de ciência e engenharia de materiais de Marx e Craratish McISTS, concedeu co-líder do estudo e George C C., professor de Emma H. Morrison, do Departamento de Química de Weinberg.
Captura de moléculas com ‘química cinematográfica’
Os pesquisadores há muito tentam observar eventos de catalisação ao vivo em nível nuclear. As reações químicas são como viajar entre materiais iniciais e produtos finais. Ao longo da jornada, passando – e às vezes inesperados – as moléculas se formam e depois se converteram repentinamente a outras moléculas. Como essas moléculas “intermediárias” tão chamadas são imprevisíveis e transitórias, são difíceis de identificar.
A resposta parece diretamente, no entanto, os cientistas podem determinar a sequência exata de eventos para revelar todo o caminho da resposta – e ver aqueles sob intermediários. No entanto, até recentemente, essa mobilidade secreta era impossível de observar. Embora os microscópios eletrônicos tradicionais possam fazer imagens nucleares, suas vigas são muito poderosas para ilustrar a matéria orgânica e macia usada na catalisis. Os elétrons de alta potência quebram facilmente a estrutura baseada em carbono, os cientistas os destroem antes de coletar dados.
“A maioria das técnicas de microscopia eletrônica de infecções convencionais trabalha em situações que danificam facilmente moléculas orgânicas”, disse Kratish. “Torna extremamente desafiador observar diretamente catalisadores sensíveis ou matéria orgânica durante a reação usando os métodos tradicionais da MT”.
Para superar esse desafio, a equipe se transformou em Smart-Eme, uma técnica sofisticada que poderia capturar imagens de moléculas orgânicas finas. Revestido por Nakamura e sua equipe em 2018, o Smart-EM usa muito menos dose de elétrons, reduz a quantidade de energia transferida para a amostra e a quantidade de danos. As seqüências rápidas das imagens capturam as seqüências, criando vídeos dos processos dinâmicos Smart-EM, que são chamados de “química cinematográfica”.
“Desde 20 de 2007, os físicos conseguiram realizar um sonho com mais de 200 anos – a capacidade de uma pessoa de visitar átomos”, disse Nakamura em comunicado de 2019. “Mas não terminou aqui. Nossa equipe de pesquisa alcançou esse sonho de fazer vídeos de moléculas para assistir reações químicas em detalhes sem precedentes”.
Difuso
Ao aplicar o Smart-EM à catalose pela primeira vez, a equipe noroeste escolheu uma reação química comum: a remoção de átomos de hidrogênio de moléculas de álcool. Mas primeiro eles precisam ser selecionados corretamente o catalisador. Cerca de 85% dos catalisadores industriais são diferentes, o que significa que são substâncias sólidas que reagem com líquido e gás. Embora diferentes catalisadores sejam estáveis e eficientes, eles são confusos, com diferentes locais de superfície onde podem ocorrer reações.
Craratish disse: “Catalisadores diferentes têm muitos benefícios”. “Mas, em muitos casos, é uma caixa preta, eles têm um número desconhecido de sites onde a reação pode causar, portanto, não entendemos exatamente onde e como é a reação, por isso não entendemos exatamente qual parte do catalisador é mais eficaz”.
Para facilitar o estudo do catalisador, a equipe noroeste projetou um único site com um site ativo definido. O catalisador de um único local é composto por partículas de óxido de molibodeno ancoradas em nanote de carbono em forma de cone. Em seguida, a equipe usou o Smart-em para investigar a transformação do etanol em gás hidrogênio, uma alternativa clara ao combustível fóssil.
“Ter um único site é muito mais conveniente”, disse Kratish. “Podemos escolher um bom site para ser monitorado e realmente zoom nele”
Revelar um caminho oculto
Antes de estudar, os cientistas postaram que o álcool foi diretamente no catalisador, onde se transformou em gás hidrogênio e aldeído (uma molécula que forma moléculas de álcool ao oxidação). A partir daí, o gás à temperatura ambiente, aldeído escapa no ar. No entanto, o processo revelou uma história diferente publicada.
Usando o SMART-EMs, os pesquisadores descobriram que o Aldeído não acaba com o Catalyst. Eles também encontraram aldeídos conectados para formar um polímero de cadeia curta-era anteriormente desconhecido que parecia realizar reações gerais. Para outra surpresa, os pesquisadores descobriram que o aldeído também respondeu à formação de hemiacetal com álcool, que é uma molécula intermediária que mais tarde se converteu a outros produtos.
Para confirmar essas pesquisas, a equipe usou várias técnicas de microscopia, análise de raios-X, modelos teóricos e simulações de computador. Combine todos os dados inteligentes.
“Este é um grande progresso”, disse Kratish. “Smart-em, estamos mudando o caminho para olhar a química. No final, queremos alienar esses intermediários, para controlar a quantidade de energia que colocamos no sistema e estudar a dinâmica de um catalisador orgânico vivo. Será incrível” isso é apenas “”.
A “imagem de resolução nuclear” foi apoiada pelo Departamento de Energia dos EUA como uma ferramenta mecânica para estudar diferentes catálise em um único local. Instituto Internacional Marx de Nano Technology, Chemistry of Life Processos Institute e Paula M. Instituto de Transmissão para Fuel Institute for Fuel.
