Kigger ind i det aldrig før sete (med video)

(PhysOrg.com) - Forskere kan nu kigge ind i den indre funktion af katalysator nanopartikler 3, 000 gange mindre end et menneskehår inden for nanosekunder. Resultaterne peger på vejen mod fremtidigt arbejde, der i høj grad kan forbedre katalysatoreffektiviteten i en række processer, der er afgørende for verdens energisikkerhed, såsom petroleumskatalyse og katalysatorbaseret nanomaterialevækst til næste generation af genopladelige batterier.

Arbejdet blev udført i et samarbejde mellem Lawrence Livermore National Laboratory og University of California i Davis.

Ved at bruge en ny billedbehandlingsteknik på Lawrence Livermores Dynamic Transmission Electron Microscope (DTEM), forskere har opnået hidtil uset rumlig og tidsmæssig opløsning i enkeltbilleder af nanopartikulære katalysatorer.

DTEM bruger en laserdrevet fotokatode til at producere korte impulser af elektroner, der er i stand til at optage elektronmikrografer med 15 nanosekunders eksponeringstid. Den nylige tilføjelse af en ringformet mørk felt (ADF) blænde til instrumentet har i høj grad forbedret dets evne til at tidsopløse billeder af nanopartikler så små som 30 nanometer i diameter.

"Nanopartikler i denne størrelsesorden er af afgørende betydning for en bred vifte af katalytiske processer af stor interesse for energi- og nanoteknologiforskere, " sagde UC Davis' Dan Masiel, tidligere LLNL og hovedforfatter til et papir, der vises i tidsskriftet, ChemPhysChem. "Tidsopløst billeddannelse af sådanne materialer vil give mulighed for hidtil uset indsigt i dynamikken i deres adfærd."

Tidligere, partikler mindre end 50 nanometer kunne ikke opløses i 15 nanosekunders eksponering på grund af det begrænsede signal og lave kontrast uden ADF-blænde. Men ved at bruge DTEMs ADF, næsten hver 50 nanometer partikel og mange 30 nanometer blev tydeligt synlig på grund af den hurtige tidsopløsning og høje kontrast.

"Den markante forskel mellem disse to billeder demonstrerer tydeligt effektiviteten af ​​årlig mørkfeltsbilleddannelse ved billeddannelse af prøver med funktionsstørrelser tæt på opløsningsgrænsen for DTEM, " sagde Masiel.

Den nye teknik gør det lettere at skelne væsentlige træk sammenlignet med pulseret billeddannelse i et lysfelt. Det giver mulighed for markant forbedret kontrast for mindre partikler, udvide rækken af ​​katalysatorsystemer, der kan studeres ved hjælp af DTEM.

DTEM kan optage billeder med seks størrelsesordener højere tidsmæssig opløsning end konventionel TEM og kan give vigtig indsigt i processer såsom fasetransformationer, kemiske reaktioner og vækst af nanotråd og nanorør.

Medforfattere inkluderer LLNL's Bryan Reed, Thomas LaGrange, Geoffrey Campbell, Ting Guo og Nigel Browning. Arbejdet blev finansieret af Department of Energy's Office of Science, Kontoret for Grundlæggende Energividenskab, Afdelingen for materialevidenskab og teknik.

Artiklen vises i onlineudgaven af ​​27. maj ChemPhys Chem .