Ingeniører kigger ind i nanopartikler for at udforske, hvordan deres form forbedrer energilagring

Mange nyere store teknologiske fremskridt inden for databehandling, kommunikation, energi og biologi har været afhængig af meget små materialer, nanopartikler, med dimensioner mindre end 1/1, 000. tykkelsen af ​​et ark papir. Imidlertid, det kan være svært at bestemme de bedste nanomaterialer til disse applikationer, fordi observation af nanopartikler i aktion kræver høj rumlig opløsning i "rodet, "dynamiske miljøer.

I et nyligt skridt i denne retning, et hold af Stanford-ingeniører har fået et første kig inde i faseskiftende nanopartikler, at belyse, hvordan deres form og krystallinitet - arrangementet af atomer i krystallen - kan have dramatiske effekter på deres ydeevne.

Arbejdet, som er beskrevet i Naturmaterialer , har umiddelbare anvendelser i design af energilagringsmaterialer, men kunne til sidst finde vej til datalagring, elektroniske kontakter og enhver enhed, hvor fasetransformationen af ​​et materiale regulerer dets ydeevne.

For eksempel, i et lithium-ion-batteri, batteriets evne til at lagre og frigive energi gentagne gange afhænger af elektrodens evne til at opretholde store deformationer over adskillige opladnings- og afladningscyklusser uden at forringes. For nylig, videnskabsmænd har forbedret effektiviteten af ​​denne proces ved at nanosize elektroderne. Nanopartiklerne giver mulighed for hurtigere opladning, øget energilagring og forlænget levetid, men det er ukendt, hvilken nanopartikel der former sig, størrelser og krystalliniteter giver den bedste ydeevne. At besvare dette spørgsmål tjente som inspiration til denne undersøgelse, "Rekonstruering af opløst stof-inducerede fasetransformationer inden for individuelle nanokrystaller."

Generelt, det er vanskeligt at afgøre, om opførselen af ​​en samling af nanopartikler er resultatet af, at hver enkelt komponent yder ens, eller om det er den gennemsnitlige produktion af høj- og lavtydende. Jennifer Dionne, en assisterende professor i materialevidenskab og teknik, og hendes gruppe har studeret individuelle partiklers adfærd for at etablere en stærkere forbindelse mellem struktur og funktion, der kan styre udformningen af ​​næste generations energilagringsmaterialer.

I dette eksperiment, Dionnes gruppe undersøgte, hvordan varierende former og krystallinitet af palladiumnanopartikler påvirkede deres evne til at absorbere og frigive brintatomer - en analog til et lithium-ion-batteri, der aflades og oplades. De tilberedte kubik, pyramideformede og icosaedriske nanopartikler og udviklede nye billeddannelsesteknikker til at se inde i nanopartikler ved forskellige brinttryk, at bestemme, hvor brinten befandt sig.

Teknikken var baseret på et miljøtransmissionselektronmikroskop, gør det muligt for ingeniørerne at skelne nøjagtigt, hvordan brinten blev fordelt i nanopartiklerne og at gøre det med en utrolig høj - under 2-nanometer - opløsning.

"Dette instrument er et af kun en håndfuld af sin art og giver os mulighed for at studere materialer i deres arbejdsmiljø, " sagde Tarun Narayan, hovedmedforfatter af undersøgelsen og en nyligt ph.d.-uddannet fra Dionnes gruppe.

Mikroskopet muliggør analyse af partikler ved hjælp af flere forskellige teknikker, såsom direkte billeddannelse, diffraktion og spektroskopi.

"Hver teknik tilbyder forskellig information, som kan kombineres for at opnå en komplet, multidimensionel forståelse af systemet, " sagde Andrea Baldi, en postdoc medforfatter og nu fakultetsmedlem ved det hollandske institut for fundamental energiforskning (DIFFER) i Holland.

Forskerne fandt ud af, at nanopartikelstrukturen påvirker ydeevnen betydeligt. De icosaedriske strukturer, for eksempel, viser reduceret energilagringskapacitet og mere gradvis brintabsorption end de enkeltkrystallinske terninger og pyramider. Kort over partiklerne i høj opløsning viser, at brint er udelukket fra midten af ​​partiklen, dermed sænke den samlede kapacitet til at inkorporere brint. Strukturel karakterisering viser, at den gradvise absorption af brint sker, fordi forskellige områder af partiklen absorberer brint ved forskellige tryk, i modsætning til hvad der observeres i enkeltkrystaller.

"Vi kunne ikke have forestillet os at lave in situ observationer som denne på atomniveau selv for et par år siden, og så det, holdet har demonstreret og opnået, er bemærkelsesværdigt inden for materialebilleddannelse, " sagde medforfatter Robert Sinclair, professor i materialevidenskab og teknik.

Ai Leen Koh, en stabsforsker ved Stanfords Nano Shared Facilities, som også var forfatter til værket, sagde, at "disse resultater viser, hvordan in situ miljøelektronmikroskopi kan bruges til at se inde i individuelle nanopartikler udsat for brintgas i realtid."

"Med denne evne til at kigge ind i nanopartikler under deres drift, vi kan hjælpe med at designe mestermaterialer til næste generations energilagringsenheder, " sagde Dionne, som også er medlem af Stanford Bio-X og af Stanford Neurosciences Institute, og et datterselskab af Stanford Precourt Institute for Energy.