在設(shè)計(jì)使用光的動(dòng)力來驅(qū)動(dòng)重要化學(xué)反應(yīng)的納米粒子時(shí)，點(diǎn)很重要。賴斯大學(xué)納米光子學(xué)實(shí)驗(yàn)室(LANP)的研究人員早就知道，納米顆粒的形狀會(huì)影響其與光的相互作用，而他們的最新研究表明，形狀如何影響顆粒利用光催化重要化學(xué)反應(yīng)的能力。

在一項(xiàng)對(duì)比研究中，LANP研究生Lin Yuan和Lou Minhan及其同事研究了具有相同光學(xué)性質(zhì)但不同形狀的鋁納米粒子。最圓的有14個(gè)邊和24個(gè)鈍點(diǎn)。另一個(gè)是立方體形的，有六個(gè)側(cè)面和八個(gè)90度角。第三個(gè)被團(tuán)隊(duì)稱為“章魚”，也有六個(gè)側(cè)面，但是八個(gè)角中的每一個(gè)都以尖尖結(jié)束。

這三個(gè)品種都具有從光中捕獲能量并以超能熱電子形式周期性釋放能量的能力，可以加速催化反應(yīng)。LANP主任Naomi Halas研究小組的化學(xué)家Yuan進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，以查看每種顆粒作為氫離解反應(yīng)的光催化劑的性能如何。測(cè)試表明，章魚的反應(yīng)速率比14面納米晶體高10倍，比納米立方體高5倍。八足動(dòng)物的表觀活化能也較低，比納米立方體低約45%，比納米晶體低49%。

該研究的共同主要作者袁說：“實(shí)驗(yàn)證明，轉(zhuǎn)角越尖銳，效率越高。”該研究發(fā)表在《美國化學(xué)學(xué)會(huì)》雜志ACS Nano上。“對(duì)于八足動(dòng)物，角的角度約為60度，而立方體的角為90度，納米晶體上的圓點(diǎn)更多。因此，角度越小，反應(yīng)效率的提高越大。但是角度可以很小受到化學(xué)合成的限制。這些是傾向于某些結(jié)構(gòu)的單晶。您無法提供無限的清晰度。”

LANP的彼得·諾德蘭德(Peter Nordlander)研究小組的物理學(xué)家和研究共同作者婁通過開發(fā)光活化鋁納米顆粒與氫分子之間熱電子能量轉(zhuǎn)移過程的理論模型，驗(yàn)證了催化實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。

婁說：“我們輸入了光的波長(zhǎng)和顆粒形狀。” “使用這兩個(gè)方面，我們可以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)哪種形狀將產(chǎn)生最佳的催化劑。”

這項(xiàng)工作是LANP正在進(jìn)行的綠色化學(xué)工作的一部分，以開發(fā)商業(yè)上可行的光活化納米催化劑，該催化劑可以以外科手術(shù)的精確度將能量插入化學(xué)反應(yīng)中。LANP先前已經(jīng)證明了用于生產(chǎn)乙烯和合成氣，分解氨以生產(chǎn)氫燃料以及用于分解“永遠(yuǎn)的化學(xué)物質(zhì)”的催化劑。

賴斯的史坦利·摩爾(Stanley C. Moore)電氣和計(jì)算機(jī)工程教授，萊斯的Smalley-Curl研究所所長(zhǎng)Halas說：“這項(xiàng)研究表明光催化劑的形狀是工程師可以用來創(chuàng)建具有更高反應(yīng)速率和更低活化障礙的光催化劑的另一種設(shè)計(jì)元素。”以及化學(xué)，生物工程，物理學(xué)和天文學(xué)，材料科學(xué)和納米工程學(xué)教授。