Real-time Optical Imaging of Electrocatalytic Nanoparticles and their Activity

تخيل عالماً تعتمد فيه كفاءة التفاعل الكيميائي كلياً على البنية الدقيقة غير المرئية للمادة التي تقود هذا التفاعل. في مجال التحفيز الكهربائي، حيث تُستخدم الكهرباء لتسريع التغيرات الكيميائية مثل شطر الماء أو تنظيف ثاني أكسيد الكربون، لا يكون سطح المحفز سطحاً مستوياً وناعماً، بل هو مشهد وعر من النتوءات والوديان المجهرية، غالباً ما تتكون من جسيمات نانوية لا يتجاوز حجمها حجم الفيروس. هذه الهياكل هي التي تحدد سرعة حدوث التفاعل، وكمية الطاقة المهدرة، وما إذا كانت العملية قابلة للتطبيق في العالم الحقيقي. بالنسبة للعلماء الذين يحاولون تصميم أنظمة طاقة أفضل، كان التحدي دائماً يكمن في نقص الرؤية؛ فقد كان بإمكانهم قياس إجمالي الكهرباء المتدفقة عبر نظام ما، لكن لم يكن بمقدورهم رؤية أي جسيم دقيق بعينه يقوم بالعمل، ولا مراقبة كيفية تغير البيئة المباشرة حول ذلك الجسيم في الوقت الفعلي. وبدون هذه الرؤية، ظل الربط بين شكل الجسيم وأدائه مجرد تخمين.

لقد فتح فريق من الباحثين في جامعة روهر بوشوم (Ruhr University Bochum) الآن نافذة على هذا العالم الخفي، حيث طوروا طريقة لمراقبة الجسيمات النانوية التحفيزية الفردية أثناء عملها. ومن خلال الجمع بين نوعين من المراقبة القائمة على الضوء، ابتكروا طريقة لرؤية كل من الشكل الفيزيائي للجسيم والتغيرات الكيميائية التي يسببها في السائل المحيط به. انصب تركيزهم على جسيمات الذهب النانوية المغلفة بطبقة رقيقة من البلاتين، والمعروفة ببراعتها في مساعدة الأكسجين على التفاعل مع البروتونات لتكوين الماء. وبينما تحفز هذه الجسيمات هذا التفاعل، فإنها تستهلك البروتونات من السائل المحيط، مما يخلق منطقة صغيرة موضعية تنخفض فيها الحموضة. استخدم الباحثون صبغة خاصة تتوهج عندما تتغير الحموضة، مما سمح لهم برؤية "تنفس" البيئة الكيميائية حول المحفز. وفي الوقت نفسه، استخدموا تقنية تسمى "المجهر ذو المجال المظلم"، والتي تجعل الجسيمات المعدنية تلمع بوضوح مقابل خلفية مظلمة، مما يسمح لهم بتحديد مكان حدوث النشاط بدقة.

وضع الباحثون جسيمات الذهب والبلاتين هذه على قطب كهربائي زجاجي شفاف وغمرونها في سائل يحتوي على الصبغة المتوهجة. وعندما طبقوا جهداً كهربائياً لبدء التفاعل، بدأت الجسيمات في استهلاك البروتونات. وفي السائل المحيط مباشرة بالجسيمات النشطة، استجابت الصبغة لانخفاض الحموضة من خلال التوهج. وباستخدام كاميرا عالية السرعة، سجل الفريق مقاطع فيديو لهذه العملية، حيث رصدوا لحظة ظهور التوهج وكيفية انتشاره. ووجدوا أن التفاعل لم يبدأ في كل مكان في وقت واحد؛ ففي المناطق التي كانت فيها الجسيمات متجمعة معاً في نمط "حلقة القهوة" الكثيف، بدأ التفاعل عند جهد كهربائي أقل بكثير مما كان عليه في المناطق التي كانت فيها الجسيمات متفرقة. وقد أكد ذلك أن المحفزات كانت بالفعل هي مصدر النشاط، وليس السطح الزجاجي نفسه.

ولفهم كيف أثر حجم هيكل المحفز على التفاعل، نظر الفريق في سيناريوهين مختلفين تماماً. في الحالة الأولى، راقبوا تجمعاً كبيراً من الجسيمات يمتد لعدة ميكرومترات. وعندما حفزوا التفاعل بنبضة قصيرة من الجهد، نما النطاق المتوهج من الحموضة المنخفضة ببطء حول هذا الهيكل الكبير. وعندما أوقفوا الجهد، تلاشى التوهج ببطء مع عودة البروتونات من بقية السائل عبر الانتشار لملء الفجوة. وفي الحالة الثانية، نظروا إلى تجمع أصغر بك كثيراً، يبلغ عرضه حوالي 500 نانومتر. وبالنسبة لهذه الهياكل الصغيرة، ظهر النطاق المتوهج واختفى بشكل فوري تقريباً. وأدرك الباحثون أن حجم تجمع الجسيمات هو الذي يحدد مدى سرعة وصول البيئة الكيميائية إلى حالة الاستقرار؛ فالهياكل الأكبر استغرقت وقتاً أطول لبناء التغيير الكيميائي ووقتًا أطول للتعافي، بينما تفاعلت الهياكل الأصغر بدقة فورية.

ولضمان أنهم ينظرون إلى الهياكل الصحيحة، استخدم الباحثون تقنية المسح بالمجهر الإلكتروني في نفس الموقع. فبعد مراقبة توهج الجسيمات تحت المجهر الضوئي، أخذوا العينة ذاتها ووضعوها تحت مجهر إلكتروني قوي. سمح لهم ذلك برؤية الشكل الفيزيائي وحجم الجسيمات المحددة التي راقبوها وهي تتوهج للتو. وأكدت الصور أن النشاط المتوهج يتوافق مباشرة مع الوجود الفيزيائي لتجمعات الذهب والبلاتين. كما استخدم الفريق كاميرا فائقة الطيف لتحليل الضوء المتشتت من الجسيمات. هذا الضوء، المعروف باسم "رنين البلازمون السطحي الموضعي"، يعمل كبصمة تكشف عن حجم وشكل الجسيم. ووجدوا أن هذه البصمة ظلت مستقرة أثناء التفاعل، مما يشير إلى أن الجسيمات لم تغير شكلها أو تذوب أثناء عملها.

توضح هذه الدراسة أن نشاط المحفز ليس مجرد خاصية للمادة نفسها، بل هو عملية ديناميكية تتأثر بشدة بحجم وترتيب الجسيمات النانوية. وقد أظهر الباحثون أنه من خلال مراقبة تغيرات الأس الهيدروجيني (pH) الموضعية، يمكنهم فحص الجسيمات الأكثر نشاطاً بسرعة ودقة عاليتين، دون الحاجة إلى إيقاف التفاعل أو تدمير العينة. يقدم هذا النهج طريقة جديدة لرسم العلاقة بين الهيكل الفيزيائي للمحفز وأدائه. ومن خلال الكشف عن كيفية تحكم حجم تجمع الجسيمات النانوية في سرعة الانتشار والتفاعل الكيميائي، يوفر هذا العمل مساراً أوضح لتصميم محفزات أفضل. ولا تقتصر هذه الطريقة على تفاعلات الأكسجين فقط؛ فبما أن العديد من العمليات الكيميائية الهامة تتضمن استهلاك أو إطلاق البروتونات، يمكن تطبيق هذه التقنية الضوئية على مجموعة واسعة من التفاعلات، بدءاً من تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى وقود وصولاً إلى إنتاج الهيدروجين. إن القدرة على رؤية هذه العمليات في الوقت الفعلي، وربط الشكل الفيزيائي للجسيم بإنتاجه الكيميائي، تقرب المجال من التصميم العقلاني للمواد حيث يتم وضع كل ذرة بغرض محدد.