Новый метод микроскопических исследований позволил снять первое в истории «кино», в котором зафиксировано поведение наночастицы в ходе каталитической реакции.

Связавшись на поверхности золотой наночастицы, молекула красителя резазурина теряет атом кислорода и превращается в резоруфин, флуоресцирующий в ультрафиолете. Точный график времени, которое молекула оставалась связанной с наночастицей, позволяет делать точные выводы о ходе каталитической реакции
Пен Чен (слева) и его коллега стоят перед микроскопом, который позволил им наблюдать флуоресценцию продукта нанокаталитического процесса. Чтобы добиться этого, ученым пришлось «доработать» серийную модель собственными руками

Современная промышленность проявляет все более возрастающий интерес к использованию наночастиц в самых различных химических процессах — и для создания топливных элементов, и для разложения загрязняющих веществ, и т. д. Обладая большой активной поверхностью, наночастицы являются весьма перспективными и эффективными катализаторами, существенно ускоряя и облегчая протекание химических реакций. При этом в форме наночастиц каталитические свойства приобретают вещества и соединения, обычно никаких таких способностей не имеющие.

«Понимание фундаментальных принципов катализа позволит создать новые, еще более эффективные катализаторы, — говорит глава группы разработчиков Пен Чен (Peng Chen). — Прекрасно еще и то, что сами по себе наночастицы являются динамическими образованиями — возможно, они позволят создать катализаторы, способные адаптироваться к различным условиям».

В своем недавнем исследовании ученые под руководством Пен Чена использовали сферические наночастицы из золота диаметром около 6 нм. Они были помещены на стеклянную подложку, после чего стал подаваться раствор красителя, служившего субстратом для химической реакции. Наночастицы катализировали превращение молекул красителя в флуоресцирующие производные, которые легко можно было увидеть. Весь процесс фиксировался на видеокамеру, которая делала по кадру каждые 30 мс.

Итак, молекула красителя резазурина связывается с поверхностью золотой наночастицы, здесь происходит удаление из нее атома кислорода, и образуется флуоресцентный продукт реакции: он испускает крохотную вспышку, которая продолжается до тех пор, пока продукт не отсоединяется от нанокатализатора. Разделив отдельные вспышки, идущие от конкретных наночастиц, ученые исследовали индивидуальное каталитическое событие.

Что интересно: при этом оказалось, что не все наночастицы ведут себя одинаковым образом. У одних краситель соединяется с поверхностью частицы, модифицируется и высвобождается. У других после проведения реакции краситель начинает двигаться по поверхности наночастицы, и освобождается лишь некоторое время спустя. На третьих наночастицах могут протекать и тот, и другой процессы. Пен Чен считает, что объясняется это тем, что отдельные частицы не идеально сферические, и ориентированы они на подложке слегка по‑разному. Это и может приводить к появлению небольших различий в проводимом ими катализе.

Кроме того, все катализируемые реакции занимали слегка разное время, они не были строго одинаковы. Иногда краситель «задерживаться» на наночастице дольше, иногда меньше. По мнению исследователей, это связано с тем, что на одной наночастице одновременно идет множество реакций. Чем большее число «рабочих» точек на ней уже занято красителем, тем более замедляется «работа» с новыми молекулами.

Вот как много можно заметить уже на первой видеосъемке отдельного каталитического процесса. И вправду говорят, лучше один раз увидеть!

По пресс-релизу Cornell University