Elektronmikroskoper foretager de første målinger af nanoskala kemi i aktion

(Phys.org) —Forskeres undervandskameraer fik et løft i sommer fra elektronmikroskopi -centret ved det amerikanske energiministeriums Argonne National Laboratory. Sammen med kolleger ved University of Manchester, forskere fangede verdens første realtidsbilleder og samtidig kemisk analyse af nanostrukturer, mens "under vandet, "eller i opløsning.

"Denne teknik vil give kemikere og materialeforskere mulighed for at udforske stadier af nanoskala kemiske processer i materialer, der aldrig før er målt, "sagde Argonne -materialeforsker Nestor Zaluzec, en af ​​papirets forfattere. At forstå, hvordan materialer vokser på nanoskala -niveau, hjælper forskere med at skræddersy dem til alt fra batterier til solceller.

Elektronmikroskoper er et værdsat værktøj i en forskers værktøjskasse, fordi de kan se langt mindre strukturer end almindelige lys- eller røntgenmikroskoper. De bruger elektroner, som er hundredvis af gange mindre end lysets bølgelængder, at kortlægge landskabet helt ned til molekyler og endda atomer.

"Vi har taget billeder på atom- og nanoskala i årtier, men det gøres normalt med prøven i et vakuum, "Sagde Zaluzec. Når du leder efter atomer og molekyler, eventuelle ekstra molekyler, selv dem i luften, kan sky billedet.

Men de mest interessante objekter eller processer på Jorden findes generelt ikke i et vakuum, så forskere har også fra begyndelsen presset på for at få analyse og billeder af materialer, mens de er i mere naturlige miljøer.

I løbet af det sidste årti, udviklingen tillod forskere at tage billeder af materialer i opløsning, men at få kemisk analyse på samme tid forblev utilgængelig. Forestil dig, hvor nyttigt det ville være for trænere at kunne se en baseballspiller med samtidig røntgen- og MR-vision for at se, hvordan deres muskler og knogler deformeres under stress, eller for kokke at kunne se, hvordan æggehviderne interagerer med bagepulver i kagen, mens den bages i ovnen.

"Det, vi har brug for i dag, er at være i stand til fuldt ud at forhøre et materiale - ikke bare se, hvordan det ser ud, men også måle dets elektroniske og kemiske tilstande og endda fysiske egenskaber, alt i realtid og med den højeste opløsning, alt under miljøforhold, "Zaluzec sagde." Alt dette hjælper os med at forstå, hvorfor materialer opfører sig som de gør, og i sidste ende, for at forbedre deres egenskaber. "

Zaluzec og hans samarbejdspartnere omarbejdede iscenesættelsen af ​​transmissionselektronmikroskopet, så de specialiserede detektorer kunne se et klarere kig på prøven. Med denne innovation, teamet var endelig i stand til at få billeder samt samtidige kemiske kort over, hvor forskellige elementer er placeret i prøven. Dette lader forskere se, hvordan nanostrukturer vokser og ændrer sig med tiden under kemiske reaktioner.

Teamet arbejder nu sammen med producenten Protochips Inc. for at gøre denne kapacitet tilgængelig for det videnskabelige samfund.

Argonne -forskeren Dean Miller ser allerede fremad for at indarbejde denne kapacitet i den næste udfordring:at kunne foretage målinger med en elektrisk spænding over prøven i væsker. Dette replikerer betingelserne for, for eksempel, den næste generation af batterier vil fungere.

"At konstruere nye materialer til at løse nutidens samfundsproblemer er en kompleks og krævende dagsorden, "Zaluzec sagde." En del af vores job på Argonne Electron Microscopy Center er at foregribe den næste bølge af videnskabelige spørgsmål og problemer og finde ud af måder at studere dem på. For at imødekomme denne udfordring udvikler vi videnskabelige værktøjer til at tackle både dagens og morgendagens udfordringer på en række områder. "

Studiet, "Imaging i realtid og lokal elementær analyse af nanostrukturer i væsker, "blev offentliggjort i tidsskriftet Kemisk kommunikation med forskere fra University of Manchester og BP.