צוות מחקר מאוניברסיטת פיטסבורג התגבר על מכשול עיקרי שהגביל עד כה את הפיתוח של ננו-חומרים, מהם מייצרים זרזים יעילים להפקת מימן ולהפחתת רעילות הפליטות מרכבים.
הפרופסור Götz Veser מביה”ס להנדסה, וצוות המחקר שלו, הכינו חלקיקי סגסוגת מתכת בעובי של ארבעה ננומטרים המסוגלים לעמוד בפני טמפרטורות של יותר משמונה מאות וחמישים מעלות צלסיוס – לפחות מאתיים וחמישים מעלות גבוה יותר מננו-חלקיקים מתכתיים טיפוסיים. בשל עיצובם המיוחד, מהמתכות הקטליטיות פלטינה ורודיום, החלקיקים הללו הופכים פעילים מאוד ע”י הרחקתם של הרכיבים הרגישים לחום בתוכם ככל שהטמפרטורה מתגברת, בדומה לשממית המשילה את זנבה לשם הגנה עצמית.
“חוסר היציבות הפנימית של חלקיקים מסוג זה היווה מכשול לפיתוח יישומים רבים, החל מחיישנים ועד ייצור דלק,” מסביר החוקר. “היכולת המדהימה של ננו-חלקיקים להוליד תחומים חדשים לחלוטין ולאפשר פיתוח תהליכים יעילים יותר בצורה דרמטית הודגמה בניסיונות מעבדה, אולם מעט מכך תורגם הלכה למעשה לחיי היומיום בשל רגישות זו לחום. עבורנו, בכדי למצות את היתרונות של ננו-חלקיקים הם חייבים לעמוד בפני תנאים חריפים הקיימים בשימושים המעשיים.”
החוקרים מציגים גישה מקורית לייצוב זרזים מתכתיים הקטנים בגודלם מחמישה ננומטרים. חומרים בתוך טווח גדלים זה מציגים שטח-פנים גדול יותר ומאפשרים בכך ניצול החלקיקים לקבלת תגובות יעילות יותר. אולם, הם גם נערמים יחדיו בטמפרטורה של שש מאות מעלות צלסיוס – טמפרטורה הנמוכה מרוב הטמפרטורות שבהן מתרחשות תגובות קטליטיות רגילות – והופכים לגוש חלקיקים גדול מדי.
ניסיונות לייצב את המתכות כללו את הכנסתן לתוך ננו-מבנים עמידים בחום, אולם השיטות המבטיחות ביותר הצליחו רק עבור טווח גדלים של 15-10 ננומטרים, כתב החוקר הראשי. החוקר Veser תכנן ננו-מבנים מבוססי-תחמוצת אשר מייצבים חלקיקים קטנים עד כדי עשרה ננומטרים.
במחקרם, המדענים שילבו פלטינה ורודיום, שהוא בעל נקודת התכה גבוהה. הם בחנו את הסגסוגת ע”י תגובת בעירה במתאן ומצאו כי המבנה המרוכב לא רק שהיה זרז פעיל מאוד, אלא שהחלקיקים שלו שמרו על גודל ממוצע של 4.3 ננומטרים, אפילו בחשיפתם לחום של 850 מעלות צלסיוס. למעשה, כמויות קטנות של חלקיקים בגודל של ארבעה ננומטרים נותרו אפילו כאשר הטמפרטורה העפילה ל- 950 מעלות צלסיוס, למרות שרוב החלקיקים תפחו לגודל שהיה פי שמונה מכך.
החוקרים הופתעו לגלות שהסגסוגת לא סתם עמדה בפני החום העצום. במקום זאת, היא “הקריבה” את המתכת הרגישה יותר לחום, הפלטינה, ובנתה מערך חדש של זרז עתיר-רודיום בסיום התגובה. בטמפרטורה של בערך 700 מעלות צלסיוס, הסגסוגת החלה להינתך. הפלטינה הורחקה אט מהמבנה ויצרה חלקיקים גדולים יותר יחד עם אטומי פלטינה תועים אחרים, בהשאירה את חלקיקי הסגסוגת היציבים יותר להתחשל. החוקרים חזו כי תהליך ייצוב-עצמי זה יתרחש בכל הזרזים המתכתיים המורכבים מסגסוגת המכילה מתכת נוספת, יציבה יותר.
