Billeddannelse i høj opløsning af nanopartikeloverfladestrukturer er nu mulig

Ved hjælp af scanning tunneling mikroskopi (STM), ekstrem høj opløsning billeddannelse af de molekyle-dækkede overfladestrukturer af sølv nanopartikler er mulig, selv ned til genkendelsen af ​​individuelle dele af molekylerne, der beskytter overfladen. Dette var resultatet af fælles forskning mellem Kina og Finland, ledet i Finland af akademiprofessor Hannu Häkkinen fra Jyväskylä Universitet. Forskningen blev for nylig offentliggjort i den prestigefyldte Naturkommunikation serie og publikationen blev udvalgt af tidsskriftsredaktørerne til tidsskriftets månedlige samling af fremhævede artikler.

At studere overfladestrukturerne af nanopartikler ved atomopløsning er afgørende for at forstå de kemiske egenskaber af deres strukturer, molekylære interaktioner og partiklernes funktion i deres omgivelser. Eksperimentel forskning i overfladestrukturer har længe involveret billeddannelsesteknikker, der er egnede til opløsning på nanometerniveau, hvoraf de mest almindelige er baseret på elektrontunnelering, ovennævnte scanning tunneling mikroskopi (STM), og atomkraftmikroskopi (AFM) baseret på måling af små, kræfter på atomare skala.

Imidlertid, at opnå molekylær opløsning i billeddannelse har vist sig at være meget udfordrende, for eksempel fordi krumningen af ​​det objekt, der skal afbildes, dvs. nanopartiklernes overflade, er af samme orden som scanningsspidsens krumning. Målinger er også følsomme over for miljøforstyrrelser, som kan påvirke den termiske bevægelse af molekyler, for eksempel.

Forskerne brugte tidligere karakteriserede sølvnanopartikler, med en kendt atomstruktur. Metalkernen i partiklerne har 374 sølvatomer, og overfladen er beskyttet af et sæt på 113 TBTT-molekyler. TBBT (tert-butyl-benzen thiol) er et molekyle med tre separate kulstofgrupper på sin ende. Partiklens ydre overflade har i alt 339 sådanne grupper. Da denne type nanopartikelprøve blev afbildet ved lave temperaturer i STM-eksperimentet, klare sekventielle modulationer blev observeret i tunnelstrømmen dannet af billedet (se venstre del af billedet). Lignende modulationer blev bemærket, når individuelle TBBT-molekyler blev afbildet på en flad overflade.

Baseret på tæthedsfunktionel teori (DFT), simuleringerne udført af Häkkinens forskerhold viste, at hver af de tre kulstofgrupper i TBBT-molekylet giver sit eget nuværende maksimum i STM-billedet (se højre del af billedet), og at afstandene mellem maksimaerne svarede til STM-måleresultaterne . Dette bekræftede, at måling var vellykket på submolekylært niveau. Simuleringerne forudsagde også, at nøjagtig STM-måling ikke længere kan være vellykket ved stuetemperatur, da den termiske bevægelse af molekylerne er så høj, at de nuværende maksima for individuelle kulstofgrupper blander sig i baggrunden.

"Det er første gang, at STM-billeddannelse af nanopartikeloverfladestrukturer har været i stand til at 'se' de enkelte dele af molekyler. Vores beregningsarbejde var vigtigt for at verificere de eksperimentelle resultater. vi ville gå et skridt videre. Da partiklernes atomare struktur er velkendt, vi havde grund til at spørge, om den præcise orientering af den afbildede partikel kunne identificeres ved hjælp af simuleringer, " siger Häkkinen, beskriver forskningen.

Til denne ende, Häkkinens gruppe beregnede et simuleret STM-billede af sølvpartiklen fra 1, 665 forskellige orienteringer og udviklede en mønstergenkendelsesalgoritme til at bestemme, hvilke simulerede billeder der bedst matchede de eksperimentelle data.

"Vi mener, at vores arbejde demonstrerer en ny nyttig strategi til billeddannelse af nanostrukturer. I fremtiden, mønstergenkendelsesalgoritmer og kunstig intelligens baseret på maskinlæring bliver uundværlige for fortolkningen af ​​billeder af nanostrukturer. Vores arbejde repræsenterer det første skridt i den retning. Derfor har vi også besluttet åbent at distribuere den mønstergenkendelsessoftware, vi havde udviklet, til andre forskere, " siger Häkkinen.

Nanopartikelsyntesen blev udført på Xiamen Universitet af professor Nanfeng Zhengs forskningsgruppe, og STM-målingerne blev udført på Dalian Institute of Chemical Physics under ledelse af professor Zhibo Man. Ph.D. studerende Sami Kaappa og seniorforsker Sami Malola fra professor Häkkinens gruppe udførte beregningerne til projektet. Forskningen fra professor Häkkinens gruppe modtager støtte fra AIPSE-programmet under Finlands Akademi. CSC – IT Center for Videnskab i Finland og Barcelona Supercomputing Center leverede ressourcerne til alle simuleringer, der kræver høj-effekt computing. Barcelona-simuleringerne var en del af NANOMETALS-projektet støttet af PRACE-organisationen.