Eine neue Methode der mikroskopischen Forschung ermöglichte es, den ersten "Film" der Geschichte zu drehen, in dem das Verh alten eines Nanopartikels während einer katalytischen Reaktion aufgezeichnet wurde.
Gebunden an die Oberfläche eines Gold-Nanopartikels verliert das Farbstoffmolekül Resazurin ein Sauerstoffatom und verwandelt sich in Resorufin, das im ultravioletten Licht fluoresziert. Eine genaue grafische Darstellung der Zeit, die das Molekül an das Nanopartikel gebunden blieb, lässt genaue Rückschlüsse auf den Verlauf der katalytischen Reaktion zu.
Die moderne Industrie zeigt ein zunehmendes Interesse an der Verwendung von Nanopartikeln in verschiedenen chemischen Prozessen – sowohl zur Herstellung von Brennstoffzellen als auch zum Abbau von Schadstoffen usw. Mit einer großen aktiven Oberfläche sind Nanopartikel sehr vielversprechende und effektive Katalysatoren Beschleunigung und Erleichterung des Ablaufs chemischer Reaktionen. Gleichzeitig erh alten Substanzen und Verbindungen in Form von Nanopartikeln katalytische Eigenschaften, die solche Fähigkeiten normalerweise nicht besitzen.
" Das Verständnis der Grundprinzipien der Katalyse wird es uns ermöglichen, neue, noch effizientere Katalysatoren zu entwickeln", sagt Peng Chen, Leiter des Entwicklungsteams.„Toll ist auch, dass die Nanopartikel selbst dynamische Einheiten sind – vielleicht ermöglichen sie es, Katalysatoren herzustellen, die sich an unterschiedliche Bedingungen anpassen können.“
In ihrer jüngsten Studie verwendeten Wissenschaftler um Peng Chen kugelförmige Gold-Nanopartikel mit einem Durchmesser von etwa 6 nm. Sie wurden auf ein Glassubstrat gelegt, wonach eine Farbstofflösung zugeführt wurde, die als Substrat für eine chemische Reaktion diente. Die Nanopartikel katalysierten die Umwandlung von Farbstoffmolekülen in leicht sichtbare fluoreszierende Derivate. Der gesamte Vorgang wurde mit einer Videokamera aufgezeichnet, die alle 30 ms ein Bild aufnahm.
Das Resazurin-Farbstoffmolekül bindet also an die Oberfläche des Gold-Nanopartikels, ein Sauerstoffatom wird davon entfernt und ein fluoreszierendes Reaktionsprodukt entsteht: Es sendet einen winzigen Blitz aus, der andauert, bis sich das Produkt davon löst der Nanokatalysator. Durch die Trennung einzelner Blitze, die von bestimmten Nanopartikeln stammen, untersuchten die Wissenschaftler ein einzelnes katalytisches Ereignis.
Interessant: Es stellte sich heraus, dass sich nicht alle Nanopartikel gleich verh alten. Bei einigen bindet der Farbstoff an die Oberfläche des Partikels, wird modifiziert und freigesetzt. Bei anderen beginnt sich der Farbstoff nach der Reaktion über die Oberfläche des Nanopartikels zu bewegen und wird erst einige Zeit später freigesetzt. Beide Prozesse können an dritten Nanopartikeln ablaufen. Peng Chen glaubt, dass dies daran liegt, dass die einzelnen Partikel nicht perfekt kugelförmig sind und sich leicht unterschiedlich auf dem Substrat orientieren. Dies kann zu geringfügigen Unterschieden in der von ihnen durchgeführten Katalyse führen.
Außerdem dauerten alle katalysierten Reaktionen leicht unterschiedlich, sie waren nicht genau gleich. Mal „verweilt“der Farbstoff länger auf dem Nanopartikel, mal weniger. Das liegt den Forschern zufolge daran, dass an einem Nanopartikel viele Reaktionen gleichzeitig ablaufen. Je mehr „Arbeits“-Punkte darauf bereits durch den Farbstoff belegt sind, desto mehr verlangsamt sich die „Arbeit“mit neuen Molekülen.
So viel sieht man schon auf dem ersten Video eines einzelnen katalytischen Prozesses. Und sie sagen wirklich, es ist besser, einmal zu sehen!
Pressemitteilung der Cornell University
