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Révolutionner les industries avec des catalyseurs en or ultra-durables
Le nouveau revêtement protecteur développé par les chercheurs améliore la durabilité des catalyseurs en or, ce qui pourrait accroître leurs applications industrielles et leur efficacité. Crédit : SciTechDaily.com
Une couche protectrice appliquée aux nanoparticules d’or peut améliorer leur flexibilité.
Pour la première fois, des chercheurs, notamment ceux de l’Université de Tokyo, ont découvert un moyen d’améliorer la durabilité des catalyseurs en or en créant une couche protectrice d’amas d’oxydes métalliques. Les catalyseurs en or améliorés peuvent résister à une plus grande gamme d’environnements physiques que les matériaux équivalents non protégés.
Cela peut augmenter la gamme d'applications possibles, ainsi que réduire la consommation d'énergie et les coûts dans certains cas. Ces catalyseurs sont largement utilisés dans les milieux industriels, notamment dans la synthèse chimique et la production pharmaceutique, et ces industries pourraient bénéficier de catalyseurs en or améliorés.
L'attrait unique de l'or
Tout le monde aime l’or : les athlètes, les pirates, les banquiers – tout le monde. Historiquement, il s’agit d’un métal attrayant pour la fabrication d’objets tels que des médailles, des bijoux, des pièces de monnaie, etc.
La raison pour laquelle l’or nous semble brillant et attrayant est qu’il est chimiquement malléable aux conditions physiques qui déformeraient d’autres matériaux, par exemple la chaleur, la pression, l’oxydation et d’autres dommages.
Paradoxalement, cependant, à l’échelle nanométrique, les petites particules d’or inversent cette tendance et deviennent si hautement réactives qu’elles sont depuis longtemps essentielles à la réalisation de divers types de catalyseurs, d’intermédiaires qui accélèrent ou permettent d’une manière ou d’une autre une réaction chimique de se produire. Autrement dit, ils sont utiles ou nécessaires à la transformation d’une substance en une autre, d’où leur utilisation répandue en synthèse et en fabrication.
La protection contre les thiols et les polymères organiques sont deux méthodes existantes pour ajouter de la flexibilité aux nanoparticules d'or. À droite, une représentation de la nouvelle méthode des chercheurs utilisant le polyoxométalate. Crédit : ©2024 Suzuki et al.
L’innovation derrière les catalyseurs d’or améliorés
« L'or est un métal merveilleux et est loué dans la société, en particulier dans la science », a déclaré le professeur agrégé Kosuke Suzuki du département de chimie appliquée de l'université de Tokyo.
« C'est excellent pour les catalyseurs et peut nous aider à fabriquer toute une série de choses, y compris des médicaments. Les raisons en sont que l'or a une faible capacité à adsorber les molécules, et il est également très sélectif quant à ce à quoi il se lie, il permet donc des analyses très précises. contrôle des processus. » Synthèse chimique. Les catalyseurs en or fonctionnent souvent à des températures et des pressions plus basses que les catalyseurs conventionnels, nécessitant moins d'énergie et réduisant l'impact environnemental.
Une image à résolution atomique des nouvelles nanoparticules créées par les chercheurs à l’aide d’une technique appelée microscopie électronique à transmission par balayage à champ sombre annulaire. Crédit : ©2024 Suzuki et al.
Bien que l’or soit une bonne chose, il présente certains inconvénients. Il devient plus réactif lorsqu’il est composé de molécules plus petites, et il arrive un moment où un catalyseur en or peut commencer à souffrir négativement de la chaleur, de la pression, de la corrosion, de l’oxydation et d’autres conditions. Suzuki et son équipe ont pensé pouvoir améliorer cette situation et ont conçu un nouvel agent protecteur qui pourrait permettre au catalyseur en or de conserver ses fonctions utiles, mais dans une plus grande gamme de conditions physiques qui gêneraient ou détruiraient normalement un catalyseur en or typique.
« Les nanoparticules d'or actuellement utilisées dans les catalyseurs ont un certain niveau de protection, grâce à des agents tels que le dodécanethiol et des polymères organiques. Mais notre nouveau produit est basé sur un groupe d'oxydes métalliques appelés polyoxométalates, et il offre de bien meilleurs résultats, notamment en ce qui concerne stress oxydatif », a déclaré Suzuki.
« Nous étudions actuellement de nouvelles structures et applications des polyoxométalates. Cette fois, nous avons appliqué des polyoxométalates à des nanoparticules d'or et avons confirmé que les polyoxométalates améliorent la durabilité des nanoparticules. Le véritable défi était d'appliquer un large éventail de techniques analytiques pour tester et vérifier tout cela. .»
Approche analytique globale
L’équipe a utilisé diverses techniques connues collectivement sous le nom de spectroscopie. Au moins six méthodes spectroscopiques ont été utilisées, qui diffèrent par les types d'informations qu'elles révèlent sur la matière et son comportement. Mais en général, ils fonctionnent en projetant un certain type de lumière sur un matériau et en mesurant comment cette lumière change d’une manière ou d’une autre à l’aide de capteurs spécialisés. Suzuki et son équipe ont passé des mois à effectuer différents tests et différentes configurations de leurs matériaux expérimentaux jusqu'à ce qu'ils trouvent ce qu'ils cherchaient.
Tendances futures et avantages sociétaux
« Nous ne sommes pas seulement motivés par l'amélioration d'une méthode de synthèse chimique. Il existe de nombreuses applications pour les nanoparticules d'or améliorées qui peuvent être utilisées au profit de la société », a déclaré Suzuki.
« Des catalyseurs pour réduire la pollution (de nombreuses voitures à essence sont déjà équipées d'un pot catalytique), des pesticides à moindre impact, de la chimie verte pour les énergies renouvelables, des interventions médicales, des capteurs pour les agents pathogènes d'origine alimentaire, et la liste est longue. Mais nous voulons aussi aller plus loin. .»
« Nos prochaines étapes consisteront à améliorer la gamme de conditions physiques dans lesquelles nous pouvons rendre les nanoparticules d'or plus flexibles, et également à voir comment nous pouvons ajouter une certaine ténacité à d'autres métaux catalytiques utiles tels que le ruthénium, le rhodium, le rhénium et bien sûr quelque chose. que les gens apprécient encore plus que l’or : le platine.
Référence : « Catalyseurs de nanoparticules d'or colloïdal ultra-stables et hautement réactifs protégés à l'aide de nanoclusters d'oxydes métalliques à pointes » par Kang Xia, Takafumi Yatabe, Kentaro Yonesato, Soichi Kikawa, Seiji Yamazu, Ayako Nakata, Ryo Ishikawa, Naoya Shibata, Yuichi Ikuhara, Kazuya Yamaguchi et Kosuke Suzuki, 6 février 2024, Communications naturelles.
est ce que je: 10.1038/s41467-024-45066-9
L'étude a reçu le soutien financier de JST FOREST (JPMJFR213M pour KS, JPMJFR2033 pour RI), JST PRESTO (JPMJPR18T7 pour KS, JPMJPR19T9 pour SY, JPMJPR20T4 pour AN, JPMJPR227A pour TY), JSPS KAKENHI (22H04971 pour K.Ya) et JSPS. de noyau en noyau. Les mesures XAFS ont été effectuées à Printemps-8 Avec l'approbation du Japan Synchrotron Radiation Research Institute (numéros de proposition : 2023A1732, 2023A1554, 2022B1860, 2022B1684). Une partie de ce travail a été soutenue par l'Infrastructure de recherche avancée sur les matériaux et la nanotechnologie du Japon (ARIM) du ministère de l'Éducation, de la Culture, des Sports, de la Science et de la Technologie (MEXT), subventions n° JPMXP1222UT0184 et JPMXP1223UT0029.
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Des chercheurs démontrent les transformations induites par laser du plasma solide en plasma ultrarapide
Une technique de sonde à tir unique et une approche de modélisation détectent la transition ultrarapide du solide au plasma induite par le laser. Crédit : Transred
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Une technique de sonde à tir unique et une approche de modélisation détectent la transition ultrarapide du solide au plasma induite par le laser. Crédit : Transred
L’interaction de matériaux solides avec des impulsions laser très courtes et de haute intensité a permis des avancées technologiques majeures au cours du dernier demi-siècle. D’une part, l’ablation laser de matériaux solides permet une fabrication précise et une miniaturisation d’éléments dans des dispositifs médicaux ou de communication. D’un autre côté, les faisceaux d’ions accélérés provenant de matériaux solides utilisant des lasers intenses pourraient ouvrir la voie à de nouvelles opportunités de traitement du cancer grâce à la protonthérapie laser, à la recherche sur l’énergie de fusion et à l’analyse du patrimoine culturel.
Cependant, il reste encore des défis à relever pour pousser les performances d’ablation laser à l’échelle nanométrique et parvenir à une accélération ionique pilotée par laser dans l’industrie et à des fins médicales.
Lors de l’interaction d’une impulsion laser ultracourte avec une cible solide, cette dernière évolue vers un état ionisé ou plasma dans un laps de temps très court (moins d’une picoseconde). [ps]), où se produisent de nombreux processus physiques complexes et couplés, alors que l’interaction entre eux n’est pas encore entièrement comprise.
En raison du développement de la cible ultrarapide, l’étape initiale de la réaction, c’est-à-dire la formation du plasma, est difficile à atteindre expérimentalement. Par conséquent, cette transition ultrarapide du solide au plasma, qui définit les conditions initiales des processus ultérieurs tels que l’ablation ou l’accélération des particules, a jusqu’à présent été abordée par des hypothèses approximatives dans la plupart des modèles numériques décrivant une telle interaction.
En neuf papier Publié dans Lumière : science et applications, une équipe internationale de scientifiques, dont Yasmina Azzammoum et Malti C. Kaluza de l’Institut Helmholtz de Jena et de l’Université Friedrich Schiller de Jena, Allemagne, Stefan Skupin de l’Institut Lumière-Matier, France, et Guillaume Duchateau de la Commission de l’énergie. atomique (CEA-Cesta), France et ses co-auteurs ont franchi une étape importante en élucidant la transformation ultrarapide induite par laser du solide au plasma et en fournissant une compréhension approfondie de l’interaction des processus sous-jacents.
Il offre une technologie avancée d’inspection optique mono-coup qui permet une vue complète de la dynamique de la cible, depuis les solides froids passant par la phase d’ionisation jusqu’aux plasmas extrêmement denses. Ceci est réalisé en utilisant une impulsion de sonde laser avec un spectre optique à large bande qui éclaire l’interaction de l’impulsion de pompe avec des flocons de carbone de type diamant d’une épaisseur nanométrique. Différentes couleurs de l’impulsion de la sonde arrivent à différents moments d’interaction en raison du gazouillis temporel.
Par conséquent, l’évolution de l’état cible codé dans la lumière de sonde transmise peut être capturée avec une seule impulsion de sonde. Cette technique d’inspection ponctuelle est avantageuse par rapport aux méthodes pompe-sonde traditionnelles, où le processus étudié doit être reproduit à l’identique par la pompe pour chaque délai de sonde. Ceci est particulièrement important lors de l’utilisation de systèmes laser haute puissance, qui souffrent souvent de fortes fluctuations entre les impulsions.
En outre, les scientifiques ont démontré que pour l’interprétation correcte des profils de transport de sonde mesurés, une description précise de la transition précoce solide-plasma est cruciale. Un modèle de réaction en deux étapes est développé, la première étape considérant la dynamique d’ionisation de la cible à l’état solide et la deuxième étape considérant la cible à l’état plasma.
Une évolution détaillée de l’état cible à haute résolution temporelle et spatiale (respectivement sub-ps et nm) est fournie, ainsi qu’un aperçu sans précédent de l’interaction entre les processus fondamentaux tels que la dynamique d’ionisation, les collisions de particules et l’expansion hydrodynamique du plasma.
Les résultats et l’interprétation de cette nouvelle technique de criblage devraient contribuer à une compréhension plus approfondie de la dynamique des différentes cibles et à une meilleure compréhension des processus physiques sous-jacents. Ces avancées contribueront probablement à aller au-delà des méthodes traditionnelles de traitement des matériaux par laser ultrarapide et à rendre les technologies ioniques accélérées par laser utilisables dans des applications sociétales.
Plus d’information:
Yasmina Azzam et al., Examen optique des transitions de plasma solide à plasma hyper-densité induites par des lasers ultrarapides, Lumière : science et applications (2024). est ce que je: 10.1038/s41377-024-01444-j
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La « Main de Dieu » capturée par un télescope chilien offre un aperçu de la majesté cosmique
Le handball fantomatique de Dieu capturé par la caméra à énergie sombre (DECam) | Image : CTIO/NOIRLab/DOE/NSF/AURA
Dans leur quête incessante pour percer les mystères de l’univers, les astronomes ont réalisé une nouvelle avancée majeure avec une découverte étonnante réalisée par un nouveau télescope au Chili. La dernière merveille de l’exploration cosmique se présente sous la forme d’une image si captivante qu’elle a été surnommée la « Main de Dieu ». Ce spectacle céleste, officiellement connu sous le nom de CG 4, est une boule cométaire située à environ 1 300 années-lumière dans la constellation de Puppis.
La caméra à énergie sombre (DECam), montée sur le Victor M. Le Blanco de 4 mètres de diamètre de l’Observatoire interaméricain de Cerro Tololo est l’instrument responsable de cette capture remarquable. L’image révèle une structure inquiétante, éthérée, semblable à une main, s’étendant à travers la Voie lactée, ses « doigts » composés de nuages denses de gaz et de poussière.
Les globules comètes comme CG 4 sont des phénomènes astronomiques intéressants caractérisés par des nuages denses et isolés entourés de matière chaude et ionisée. Malgré leur nom, ces structures n’ont rien à voir avec les comètes, mais tirent leur surnom de leur apparence comète, contenant souvent un excès de matière ressemblant à la queue d’une comète. La queue de CG 4 s’étend sur environ huit années-lumière, tandis que la main elle-même mesure 1,5 années-lumière.
Les mécanismes de formation des globules cométaires restent un sujet de débat scientifique, avec des hypothèses allant des effets sculpteurs des vents stellaires à l’influence des explosions de supernova. Les images comme celles capturées par DECam jouent un rôle central dans l’élucidation des processus derrière ces formations mystérieuses, aidant ainsi les astronomes dans leur quête de compréhension.
Les capacités uniques de DECam le rendent exceptionnellement bien adapté à l’observation d’objets célestes faibles. Équipé d’un filtre alpha à hydrogène, il peut imager l’hydrogène ionisé, pénétrant dans la poussière cosmique qui obscurcit souvent de minuscules formations telles que les globules cométaires. Les images qui en résultent présentent non seulement un intérêt scientifique, mais possèdent également une beauté captivante qui enflamme l’imagination.
La « Main de Dieu » immortalisée par DECam n’est pas seulement un spectacle visuel mais aussi une région d’une grande importance pour l’activité stellaire. La tête sphérique de la comète, éclairée par la lumière d’une étoile proche, révèle des détails complexes sur sa structure et sa composition. Pendant ce temps, sa queue allongée fait partie de la Grande Nébuleuse, une nébuleuse en émission située à environ 1 400 années-lumière.
La nébuleuse de la gomme, où se trouve la main de Dieu, est une vaste étendue de régions de formation d’étoiles. On pense que cette nébuleuse, qui s’étend selon un angle de 35 degrés, est le vestige d’une ancienne explosion de supernova et continue de s’étendre et de se développer sur des millions d’années.
L’image « Main de Dieu » capturée par DECam sert de passerelle vers la dynamique en cours au sein de la nébuleuse de la Gomme. Les données collectées à partir de ces images contribuent de manière significative à notre compréhension des processus de formation des étoiles et de la dynamique complexe des environnements nébulaires, améliorant ainsi l’exploration de l’univers par l’humanité.
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Des chercheurs de l’ETH Zurich ont montré pour la première fois comment les électrons forment des tourbillons dans un matériau à température ambiante. Leur expérience a utilisé un microscope à détection quantique à extrêmement haute résolution.
Lorsqu’un conducteur électrique ordinaire – tel qu’un fil métallique – est connecté à une batterie, les électrons du conducteur sont accélérés par le champ électrique généré par la batterie. Lorsqu’ils se déplacent, les électrons entrent fréquemment en collision avec des atomes d’impuretés ou des lacunes dans le réseau cristallin du fil, convertissant une partie de leur énergie cinétique en vibrations du réseau. L’énergie perdue au cours de ce processus se transforme en chaleur qui peut être ressentie, par exemple, en touchant une ampoule à incandescence.
Alors que les collisions avec les impuretés du réseau se produisent fréquemment, les collisions entre électrons sont beaucoup plus rares. Cependant, la situation change lorsque le graphène, une seule couche d’atomes de carbone disposés dans un réseau en nid d’abeilles, est utilisé à la place d’un fil de fer ou de cuivre ordinaire. Dans le graphène, les collisions d’impuretés sont rares et les collisions entre électrons jouent le rôle principal. Dans ce cas, les électrons se comportent comme un fluide visqueux. Par conséquent, des phénomènes d’écoulement bien connus, tels que des tourbillons, devraient se produire dans la couche de graphène.
Dans un rapport publié dans la revue scientifique Science, des chercheurs de l’ETH Zurich du groupe de Christian Degen ont pu pour la première fois détecter directement des vortex électroniques dans le graphène, à l’aide d’un capteur de champ magnétique à haute résolution.
Microscope à détection quantique haute sensibilité
Les vortex se sont formés en petits disques circulaires, que Degen et ses collègues ont attachés pendant le processus de fabrication à un ruban de graphène conducteur d’à peine un micromètre de large. Les disques avaient différents diamètres allant de 1,2 à 3 µm. Les calculs théoriques indiquent que des vortex électroniques devraient se former dans les disques plus petits, mais pas dans les disques plus grands.
Pour rendre les vortex visibles, les chercheurs ont mesuré de petits champs magnétiques produits par les électrons circulant dans le graphène. À cette fin, ils ont utilisé un capteur de champ magnétique quantique constitué d’un centre dit de lacune d’azote (NV) intégré dans la pointe d’une aiguille en diamant. Étant un défaut atomique, le centre NV se comporte comme un objet quantique dont les niveaux d’énergie dépendent d’un champ magnétique externe. À l’aide de faisceaux laser et d’impulsions micro-ondes, les états quantiques du centre peuvent être préparés de manière à être le plus sensible possible aux champs magnétiques. En lisant les états quantiques avec un laser, les chercheurs ont pu déterminer très précisément l’intensité de ces champs.
« Grâce aux petites dimensions de l’aiguille en diamant et à la faible distance de la couche de graphène – environ 70 nanomètres seulement – nous avons pu rendre visibles les courants électroniques avec une résolution inférieure à une centaine de nanomètres », explique Marius Palm, ancien chercheur. scientifique. Doctorant chez Degen Group. Cette résolution est suffisante pour voir les tourbillons.
Sens d’écoulement inversé
Dans leurs mesures, les chercheurs ont remarqué un signe distinctif des tourbillons attendus dans les disques plus petits : une inversion de la direction du flux. Alors que dans le transport normal (diffus) des électrons, les électrons dans la bande et le disque circulent dans la même direction, dans le cas d’un vortex, le sens du flux à l’intérieur du disque est inversé. Comme le prédisaient les calculs, aucun tourbillon n’a pu être observé dans les disques les plus grands.
« Grâce à notre capteur très sensible et à notre haute résolution spatiale, nous n’avons même pas eu besoin de refroidir le graphène et avons pu réaliser des expériences à température ambiante », explique Palm. De plus, lui et ses collègues ont découvert non seulement des vortex électroniques, mais également des vortex formés par des porteurs de trous. En appliquant une tension sous le graphène, ils ont modifié le nombre d’électrons libres de telle manière que le flux de courant n’était plus transporté par les électrons, mais par les électrons manquants, également appelés trous. Ce n’est qu’au point de neutralité de charge, où se trouve une petite concentration équilibrée d’électrons et de trous, que les vortex ont complètement disparu.
« À l’heure actuelle, la détection des vortex électroniques constitue une recherche fondamentale, et de nombreuses questions restent encore en suspens », explique Palm. Par exemple, les chercheurs doivent encore savoir comment les collisions d’électrons avec les limites du graphène affectent le modèle d’écoulement et quels effets se produisent dans les structures plus petites. La nouvelle méthode de détection utilisée par les chercheurs de l’ETH permet également d’examiner de plus près de nombreux autres effets exotiques de transfert d’électrons dans des structures microscopiques – des phénomènes qui se produisent à des échelles de longueur allant de plusieurs dizaines de nanomètres à quelques micromètres.
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