تغلب فريق بحثي من جامعة بيتسبرغ على عقبة كبيرة حدت حتى الآن من تطوير المواد النانوية، التي ينتجون منها محفزات فعالة لإنتاج الهيدروجين وتقليل سمية انبعاثات المركبات.
قام البروفيسور جوتز فيسر من كلية الهندسة وفريقه البحثي بإعداد جزيئات من السبائك المعدنية بسمك أربعة نانومتر قادرة على تحمل درجات حرارة تزيد عن ثمانمائة وخمسين درجة مئوية - أي ما لا يقل عن مائتين وخمسين درجة أعلى من المعتاد الجسيمات النانوية المعدنية. نظرًا لتصميمها الخاص، من المعادن المحفزة البلاتين والروديوم، تصبح هذه الجزيئات نشطة للغاية عن طريق إزالة المكونات الحساسة للحرارة داخلها مع ارتفاع درجة الحرارة، على غرار أبو بريص الذي يتخلص من ذيله للدفاع عن النفس.
يوضح الباحث: "كان عدم الاستقرار الداخلي لهذا النوع من الجسيمات عائقًا أمام تطوير العديد من التطبيقات، بدءًا من أجهزة الاستشعار وحتى إنتاج الوقود". "لقد تم إثبات القدرة المذهلة للجسيمات النانوية على إنشاء مجالات جديدة تمامًا والسماح بتطوير عمليات أكثر كفاءة بطريقة دراماتيكية في التجارب المعملية، ولكن لم يتم ترجمة سوى القليل من هذا عمليًا إلى الحياة اليومية بسبب هذه الحساسية للحرارة. بالنسبة لنا، من أجل استغلال فوائد الجسيمات النانوية بشكل كامل، يجب عليها أن تتحمل الظروف القاسية الموجودة في التطبيقات العملية."
يقدم الباحثون طريقة مبتكرة لتثبيت المحفزات المعدنية التي يقل حجمها عن خمسة نانومتر. توفر المواد الموجودة ضمن نطاق الحجم هذا مساحة سطح أكبر وبالتالي تتيح استخدام الجزيئات لتفاعلات أكثر كفاءة. ومع ذلك، فإنها تتراكم أيضًا عند درجة حرارة ستمائة درجة مئوية - وهي درجة حرارة أقل من معظم درجات الحرارة التي تحدث فيها التفاعلات التحفيزية العادية - وتصبح كتلة كبيرة جدًا من الجسيمات.
وكتب الباحث الرئيسي أن محاولات تثبيت المعادن تضمنت وضعها في هياكل نانوية مقاومة للحرارة، لكن الطرق الواعدة لم تنجح إلا في نطاق حجم يتراوح بين 15 و10 نانومتر. صمم الباحث فيسر هياكل نانوية قائمة على الأكسيد تعمل على تثبيت الجزيئات الصغيرة التي يصل حجمها إلى عشرة نانومترات.
وفي دراستهم، قام العلماء بدمج البلاتين مع الروديوم، الذي يتمتع بنقطة انصهار عالية. لقد اختبروا السبيكة عن طريق تفاعل الاحتراق في الميثان، ووجدوا أن البنية المركبة لم تكن مجرد محفز نشط للغاية، ولكن جزيئاتها حافظت على متوسط حجم يبلغ 4.3 نانومتر، حتى عند تعرضها لحرارة تبلغ 850 درجة مئوية. في الواقع، بقيت كميات صغيرة من الجسيمات الصغيرة بحجم أربعة نانومترات حتى عندما وصلت درجة الحرارة إلى 950 درجة مئوية، على الرغم من أن معظم الجسيمات تضخمت إلى ثمانية أضعاف هذا الحجم.
تفاجأ الباحثون عندما وجدوا أن السبيكة لم تتحمل ببساطة الحرارة الهائلة. بدلًا من ذلك، "ضحت" بالمعدن الأكثر حساسية للحرارة، وهو البلاتين، وبنت مجموعة جديدة من المحفز الغني بالروديوم في نهاية التفاعل. عند درجة حرارة حوالي 700 درجة مئوية، بدأت السبيكة في الذوبان. تمت إزالة البلاتين ببطء من الهيكل مكونًا جزيئات أكبر جنبًا إلى جنب مع ذرات البلاتين الضالة الأخرى، مما ترك جزيئات السبائك الأكثر استقرارًا تصلب. وتوقع الباحثون أن عملية التثبيت الذاتي هذه ستحدث في جميع المحفزات المعدنية المكونة من سبيكة تحتوي على معدن آخر أكثر استقرارًا.
