作者安德烈·萨勒斯，阿尔贡国家实验室 立方体形状的金纳米粒子氧化一氧化碳时的三种不同的三维表现
数据显示应变主要发生在角落和边缘
信贷:阿琳·帕索斯和弗洛里安·梅瑙/ LNLS 通过用强大的x光射线束检查微小的金颗粒，科学家们希望他们能学会如何减少汽车有害的一氧化碳排放
一氧化碳是一种无色、无味、危险的气体，由汽车、卡车和其他燃烧化石燃料的车辆产生
排气系统使用催化转换器将一氧化碳转化为无毒的二氧化碳
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环境保护局，燃油汽车是大气中一氧化碳排放的最大来源，增加了空气中温室气体的含量
世界各地的科学家正在努力减少这些排放，其中一个方法是了解更多排气系统内部发生的化学反应
这些反应通常使用金作为催化剂
虽然大量的金是惰性的，但它的微小颗粒是一氧化碳氧化反应的活性催化剂，一氧化碳氧化反应将金转化为二氧化碳
阿林·帕索斯和弗洛里安·梅诺多年来一直在研究这种反应
两人都在巴西同步加速器光实验室(LNLS)工作，帕索斯是化学家，梅瑙是物理学家
他们共同领导了一个研究小组，最近使用了先进光子源的超亮x光
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能源部下属的阿贡国家实验室的科学用户设备办公室，照亮微小的金颗粒，因为它们催化了一种类似于汽车尾气中发生的反应
这项研究的结果发表在《自然通讯》上
帕索斯说:“如果我们能更好地理解这种催化作用，我们就能优化和改善它。”
“如果我们能更好地设计催化剂，我们就能控制或限制一氧化碳
" 帕索斯和梅瑙说，这种反应的性质是众所周知的，但研究单个小黄金粒子在经历这种反应时的反应是一个新的科学领域，而且只有在美国物理学会的技术支持下才有可能
为了进行这项实验，帕索斯合成了直径约60纳米的金纳米粒子
(按比例来说，一张纸大约有100，000纳米厚
)她将它们构造成两种形状，球体和立方体，并在一些粒子中引入一些化学缺陷，稍微改变原子结构，看看这是否会影响它们催化反应的方式
“不同位置的原子会发生变化，它们会改变电子和化学性质，”梅瑙说
“这是众所周知的
但是我们以前只能研究催化阶段
在反应过程中，我们无法观察到单个粒子内部有什么变化
" 为了实现这一目标，巴西团队随后将这些粒子带到美国物理学会的34-ID-C束线，该学会专门从事所谓的“原位”成像实验
这意味着APS X射线束可以用于在样品发生反应(例如温度变化或压力增加)时实时拍摄样品照片
在这种情况下，科学家使用金纳米粒子氧化一氧化碳，并捕捉到反应发生时粒子晶体结构的变化
阿贡x光科学部(XSD)的助理物理学家、该论文的合著者查元硕多年来一直致力于该束线的原位实验
他说，挑战在于开发与成像技术兼容的实验室
“其中一个挑战是我们所用样本的小尺寸，”他说
“光束的大小通常为500纳米宽，我们已经完善了监测光束中样本位置的技术，这使得实验能够继续进行
" 这项实验中使用的技术被称为相干x光衍射成像(CDI)，XSD的物理学家罗斯·哈德自2008年以来一直是阿尔贡该技术仪器的主要开发者
在CDI实验中，X射线束从样品中衍射出来，并在探测器上投射出一种信息模式，然后使用计算机算法来解释这种信息，并从中构建图像
哈德说:“我们可以看到常规光线无法看到的纳米级图像。”
“世界上能做这个实验的光源屈指可数
" 梅瑙说，结果是这些纳米粒子经历催化反应的方式的新图景
出现的图像是颗粒中应变(样品受到应力时形状变化的量度)到角和边缘的图，显示纳米颗粒的这些部分与催化作用最相关
数据还表明，应变会受到诱发的化学变化的影响，形状和大小相同的纳米粒子不会以相同的方式经历这种反应
这意味着，通过改变催化剂，反应本身可能在化学水平上发生变化
虽然这个实验中使用的样品尺寸可能看起来很小，但在工业应用中，金催化剂的典型尺寸是5纳米厚，大约是两条人类DNA链的宽度
帕索斯和梅瑙说，他们研究的下一步是缩小规模，目标是在越来越小的样本中捕捉催化反应
他们说，APS正在进行的大规模升级项目将考虑到这种缩减，天狼星LNLS的新光源也是如此，该光源计划于2021年上线
与目前的APS相比，APS升级版将亮度和相干通量提高100到1000倍，这将提高衍射图像的质量
“60纳米对工业来说太大了，”梅瑙说，“但是APS升级版将让我们研究更小的样品
新机器可以做到这一点
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