ההצצה הראשונה מעולם בפעילותם של ננו-קטליזאטורים תוכל להוביל לבקרת זיהומים משופרת ולטכנולוגיות יעילות יותר של תאי דלק.
ההצצה הראשונה מעולם בפעילותם של ננו-קטליזאטורים תוכל להוביל לבקרת זיהומים משופרת ולטכנולוגיות יעילות יותר של תאי דלק. מדענים ממשרד האנרגיה בארה”ב צפו בקטליזאטורים המסוגלים להתארגן בעצמם בתגובה לגזים שונים המתערבלים סביבם – בדומה לזיקית המחליפה את צבעיה בהתאם לסביבתה.
תוך שימוש במערכת ספקטרוסקופיה מתקדמת ביותר במעבדת ברקלי, הצוות צפה, לראשונה בעולם, כיצד ננו-חלקיקים, המורכבים משתי מתכות קטליטיות, משנים את ההרכב המדויק שלהם בנוכחות מגיבים שונים. עד עתה, המדענים נאלצו להסתמך על תמונות צילום של הקטליזאטורים שבוצעו לפני התגובה ואחריה – מעולם לא במהלכה.
“חלון” זמנים חדש זה יוכל להעניק למדענים את היכולת לפתח זרזים זולים ויעילים יותר ברי-כוונון בכדי להניע את הכימיה היומיומית, כגון תגובות שאחראיות לניקוי רעלים מזיהומים, להזרמת מימן לתאי-דלק ושיטות חדשות לזיקוק דלקים. הוא יוכל גם להאיץ את הפיתוח של זרזים שיכולים לשטוף החוצה את כל החומרים בתערובת התגובה למעט התוצר הרצוי, סימן האיכות של “כימיה ירוקה” שבה מתקבל מיעוט של תוצרי-לוואי מזהמים.
“כעת אנו יכולים לחלום,” אומר Gabor Somorjai, מדען ידוע בתחום המשטחים ומומחה לקטליזאטורים מהמחלקה לכימיה באוניברסיטת ברקלי. הוא ערך את המחקר יחדיו עם Miquel Salmeron, חלוץ בתחום המיקרוסקופיה שסייע בקבלת הממצאים של מחקר זה.
“בעזרת הצפייה בשינויים העוברים על הזרזים בזמן אמת, נוכל לתכנן בעתיד זרזים “חכמים” שיוכלו להשתנות בהתאם להתקדמותה של התגובה,” מציין Somorjai.
זרזים, שהינם חומרים המאיצים תגובות כימיות, מורכבים ויקרי-ערך בו-זמנית. הם חיוניים להפקתם של כימיקלים תעשייתיים חשובים ורבים. כמו-כן, הם משמשים בתפקיד משמעותי בכימיה סביבתית, עם הדוגמא המפורסמת של ממיר קטליטי המפחית את פליטת המזהמים ממפלטי הרכבים.
בשל חשיבותם זו חוקרים בכל העולם מנסים להבין טוב יותר כיצד הם פועלים וכיצד ניתן לשפרם. אולם, עד עתה, ניתן היה לצפות בזרזים בעלי קנה-מידה ננומטרי רק לפני התגובה או לאחריה. השלב המכריע – כיצד משתנה הזרז במהלך התגובה – נותר פתוח לניחושים.
וזוהי מהמורה רצינית. כפי שמסביר החוקר, הדבר דומה לניסיון להכיר את כל מהלך חייו של אדם כלשהו באמצעות צפייה בתקופת ילדותו ומיד אחריה קפיצה לתקופת היותו קשיש. ההתרחשות שבין זמנים אלו חשובה ביותר אולם גם קשה ביותר לפענוח באמצעות הצפייה בשני שלבים נפרדים ומרוחקים זה מזה.
“קשה לכוונן את הזרז כך שיבצע בדיוק את מה שרצוי ממנו, אלא אם כן אתה יודע כיצד הוא משתנה במהלך התגובה,” מוסיף Salmeron. “בזכות המחקר שלנו, ניתן לראשונה לצפות בדיוק בשינויים שעוברים על הזרז במהלך פעילותו, ולא רק לפני ואחריה.”
קבלת יתרון חדש זה דרש את שילוב המומחיות של שני החוקרים Somorjai ו- Salmeron יחדיו. בתחילה, היה עליהם לעבוד בקנה-מידה ננומטרי, שהיא המידה שבה רוב הזרזים פועלים. תוך שימוש בטכניקות שפותחו במעבדתו, Somorjai סנתז ננו-חלקיקים המורכבים ממתכות קטליטיות נפוצות. מקצת החלקיקים הורכבו מרודיום ופלדיום ואחרים מפלטינה ופלדיום.
בשלב הבא, בכדי לצפות בשינויים העוברים על זרזים דו-מתכתיים אלו בנוכחות המגיבים, הם השתמשו באחד ממכשירי הספקטרוסקופיה היחידים בעולם המאפשרים למדענים לבחון תופעות קטליטיות וביולוגיות בסביבתם הטבעית, כלומר – בלחצים אטמוספריים ובנוכחות כימיקלים שונים.
המכשיר, יחיד מסוגו, פותח ע”י Salmeron ועמיתיו ונמצא במעבדה המתקדמת למקורות אור בברקלי. בדומה לכל שיטות הספקטרוסקופיה, הוא מזהה יסודות באמצעות גילוי אותות ספקטראליים הייחודיים להם. אולם, בניגוד לרובם, מערכת הספקטרוסקופיה הפוטואלקטרונית עובדת בלחצים ובסביבות הדומים לאלו הקיימים בתופעות יומיומיות, במקום הדרישות לואקום מבוקר בזהירות.
תוך שימוש במערכת זו החוקרים הצליחו לצפות, בזמן אמת, כיצד הננו-חלקיקים הדו-מתכתיים משנים את הרכבם בחשיפה לגזים שונים, כגון תחמוצת חנקן, פחמן חד-חמצני ומימן. בנוכחות מגיבים מסוימים הרודיום עולה לפני השטח של הננו-חלקיק, בעוד שבנוכחותם של מגיבים אחרים דווקא הפלדיום עולה.
“עם השינוי בסוג הגז צפינו בעלייתם של מתכות שונות לפני השטח של הננו-חלקיק, שהוא האזור של הזרז שבו מתבצעות התגובות הכימיות,” מסביר החוקר. עם מידע זה, המדענים מסוגלים לפתח זרזים ננו-חלקיקיים ומגיבים שיעוצבו בהתאם לדרישותיהם ואשר יובילו לקבלת התוצר הרצוי ביעילות הגבוהה ביותר, באם זה בתחומי הדלק או בתחומי ניקוי פליטות. לדוגמא, חוקרים יוכלו לבנות זרזים ננו-חלקיקיים דו-מתכתיים שבהם אחת המתכות עולה לפני השטח ופעילה בו בשלב הראשוני של התגובה ומתכת אחרת תעלה אליו בשלב המאוחר יותר. היעד הינו להבטיח מצב שבו המתכת הפעילה ביותר תהיה ממוקמת על פני-שטח הזרז בדיוק ברגע שהיא נדרשת אליו. בשיטה זו, ניתן יהיה לקבל את התוצר הרצוי במהירות ובזול.
