Chất xúc tác và cấu trúc cảm biến dùng để theo dõi các biến đổi trên lớp hút bám. Ảnh: Science)
Chất xúc tác là những chất làm tăng tốc các phản ứng hóa học mà bản thân chúng không bị tiêu thụ. Chúng giữ vai trò thiết yếu trong ngành công nghiệp hóa học và cũng được dùng để lọc các chất độc hại ra khỏi khí thải xe cộ. Nay các nhà vật lí ở Thụy Điển vừa nghĩ ra một cách mới theo dõi các tiến trình xúc tác trong những tình huống “thực”. Kĩ thuật mới sử dụng các dao động electron tập thể gọi là “plasmon mặt” và được cho là tốt hơn các phương pháp phân tích hiện có thường dựa trên các kĩ thuật chân không cực cao (UHV) và các mẫu đơn tinh thể.
Nhiều hệ xúc tác, trong đó có các hệ dùng trong xe hơi, gồm các bề mặt tráng những miếng xúc tác nhỏ xíu trên nơi chất khí thổi qua. Mặc dù các hệ như vậy hoạt động ở áp suất khí quyển (hoặc cao hơn), nhưng chúng thường được nghiên cứu trong những môi trường rất khác – đó là các buồng chân không UHV cực sạch, sử dụng các mẫu lớn, đơn tinh thể. Sự khác biệt giữa cái xảy ra trong các hệ thực và trong những thí nghiệm như thế được biết là các khoảng trống “áp suất” và “chất liệu”.
Kĩ thuật mới, phát triển bởi Bengt Kasemo và các cộng sự tại trường Đại học Chalmers, nghiên cứu các quá trình xúc tác ở kích cỡ hạt và áp suất thực tế. Cái đội nghiên cứu đã làm là cho lắng các hạt huyền phù trong một chất lỏng – sau đó làm khô để hình thành nên một mẫu vân tròn trên bề mặt vàng. Khắc bằng axit phần vàng trơ ra để lại các đĩa vàng đường kính khoảng 100 nm. Sau đó, mẫu được tráng một màng cách điện mỏng – sâu khoảng 10 nm – và sau đó tráng các miếng platin xúc tác kích cỡ nanomet, phủ 10- 20% diện tích bề mặt hoặc ít hơn.
45
Khi ánh sáng phát ra từ một bóng đèn bình thường chiếu qua miếng chất liệu ấy, bức xạ ở những bước sóng nhất định bị hấp thụ tạo ra các plasmon mặt – dao động tập thể của các electron trên bề mặt các đĩa vàng. Do đó, phổ ánh sáng truyền qua chỗ trũng trong phổ hấp thụ ở những bước sóng này. Mặc dù các nhà vật lí đã biết vị trí của cực tiểu này dịch chuyển trong sự có mặt của các hạt platinum, nhưng Kasemo và các cộng sự phát hiện vị trí ấy còn biến đổi khi những phân tử nhất định như oxygen hoặc carbon dioxide bị hấp thụ trên bề mặt plastinum.
Đội đã sử dụng kĩ thuật trên nghiên cứu một vài phản ứng xúc tác thông dụng, trong đó có sự oxide hóa carbon monoxide thành carbon dioxide. Ví dụ, bằng cách cho oxygen tinh khiết đi qua mẫu và sau đó đưa carbon monoxide (CO) vào, họ có thể theo dõi xem CO chuyển hóa thành carbon dioxide như thế nào dễ dàng bằng cách dõi theo vị trí của cực tiểu hấp thụ. Đặc biệt, đội nghiên cứu nhận thấy khi nồng độ CO đạt tới khoảng 7% tổng lượng khí, thì cực tiểu ấy dịch chuyển đột ngột.
Điều này xảy ra vì bề mặt platinum đi từ chỗ bị tráng oxygen - ủng hộ sự xúc tác – đến chỗ bị tráng carbon monoxide. Cái thứ hai vừa nó được xem là “sự nhiễm độc” của chất xúc tác vì nó mang phản ứng đến chỗ tạm dừng. Việc tìm hiểu chính xác khi nào sự chuyển tiếp này xảy ra là quan trọng trong việc thiết kế và cho hoạt động các hệ xúc tác. Kasemo và các cộng sự đã nhìn thấy những hiệu ứng tương tự trong khi sử dụng mẫu của họ làm xúc tác cho hai phản ứng khác – sự oxide hóa hydrogen và nitrogen oxide thành nitrogen phân tử.
Phương pháp mới này dựa trên một kĩ thuật đã biết rõ của ngành plasmon học, theo Bill Barnes ở trường Đại học Exeter ở Anh. “Phản ứng quang bị lấn át bởi sự cộng hưởng plasmon mặt định xứ do các đĩa vàng mang lại, và các mode ấy đã được biết rõ là rất nhạy với môi trường quang tính sát cạnh chúng”, ông giải thích.
Niek van Hulst ở Viện Khoa hoc Quang Lượng tử ở Barcelona cũng ấn tượng trước kĩ thuật trên. “Cái tao nhã của phương pháp ấy là chỉ cần đến thủy tinh trong suốt với các hạt nano gắn trong buồng phản ứng – nó thật đơn giản và hiệu quả”, ông nói.