3D nanopartikel i atomopløsning

For første gang, forskere fra Empa og ETH Zürich har, i samarbejde med et hollandsk team, formået at måle atomstrukturen af ​​individuelle nanopartikler. Teknikken, for nylig udgivet i Natur , kunne hjælpe med bedre at forstå nanopartiklers egenskaber i fremtiden.

I kemisk henseende, nanopartikler har andre egenskaber end deres «storebrødre og søstre»:de har et stort overfladeareal i forhold til deres lille masse og samtidig et lille antal atomer. Dette kan producere kvanteeffekter, der fører til ændrede materialeegenskaber. Keramik lavet af nanomaterialer kan pludselig blive bøjet, for eksempel, eller en guldklump er guldfarvet, mens en nanolever af den er rødlig.

De kemiske og fysiske egenskaber af nanopartikler bestemmes af deres nøjagtige tredimensionelle morfologi, atomstruktur og især deres overfladesammensætning. I en undersøgelse initieret af ETH Zürich-forsker Marta Rossell og Empa-forsker Rolf Erni, 3D-strukturen af ​​individuelle nanopartikler er nu blevet bestemt på atomniveau. Den nye teknik kan hjælpe med at forbedre vores forståelse af nanopartiklers egenskaber, herunder deres reaktivitet og toksicitet.

Til deres elektronmikroskopiske undersøgelse, som for nylig blev offentliggjort i tidsskriftet Natur , Rossell og Erni forberedte sølv nanopartikler i en aluminiumsmatrix. Matrixen gør det lettere at vippe nanopartiklerne under elektronstrålen i forskellige krystallografiske orienteringer, mens partiklerne beskyttes mod beskadigelse af elektronstrålen. Den grundlæggende forudsætning for undersøgelsen var et særligt elektronmikroskop, der når en maksimal opløsning på mindre end 50 picometre. Til sammenligning:diameteren af ​​et atom måler omkring en Ångström, altså 100 picometer.

For at beskytte prøven yderligere, elektronmikroskopet blev sat op på en sådan måde, at det også gav billeder med en atomopløsning med en lavere accelerationsspænding, nemlig 80 kilovolt. Normalt, denne slags mikroskoper – som der kun er få af i verden – fungerer på 200 – 300 kilovolt. De to videnskabsmænd brugte et mikroskop på Lawrence Berkeley National Laboratory i Californien til deres eksperimenter. De eksperimentelle data blev suppleret med yderligere elektronmikroskopiske målinger udført på Empa.

På baggrund af disse mikroskopiske billeder, Sandra Van Aert fra universitetet i Antwerpen skabte modeller, der skærpede billederne og gjorde det muligt at kvantificere dem:De raffinerede billeder gjorde det muligt at tælle de enkelte sølvatomer langs forskellige krystallografiske retninger.

Til den tredimensionelle rekonstruktion af atomarrangementet i nanopartiklerne, Rossell og Erni fik til sidst hjælp fra tomografispecialisten Joost Batenburg fra Amsterdam, som brugte dataene til tomografisk at rekonstruere nanopartiklernes atomare struktur baseret på en særlig matematisk algoritme. Kun to billeder var tilstrækkelige til at rekonstruere nanopartiklerne, som består af 784 atomer. "Indtil nu, kun de grove konturer af nanopartikler kunne illustreres ved hjælp af mange billeder fra forskellige perspektiver, " siger Marta Rossell. Atomstrukturer, på den anden side, kun kunne simuleres på computeren uden eksperimentelt grundlag.

"Anvendelser til metoden, såsom karakterisering af dopede nanopartikler, er nu på kortene, " siger Rolf Erni. F.eks. metoden kunne en dag bruges til at bestemme, hvilke atomkonfigurationer der bliver aktive på overfladen af ​​nanopartiklerne, hvis de har en giftig eller katalytisk effekt. Rossell understreger, at undersøgelsen i princippet kan anvendes på enhver type nanopartikel. Forudsætningen, imidlertid, er eksperimentelle data som dem, der er opnået i undersøgelsen.