3D-rekonstruktioner af individuelle nanopartikler

Hvad ser du på billedet ovenfor? Blot et præcist tegnet tredimensionelt billede af nanopartikler? Langt mere end det, nanoteknologer vil sige, på grund af en ny undersøgelse offentliggjort i tidsskriftet Videnskab . Uanset om et materiale katalyserer kemiske reaktioner eller hindrer enhver molekylær reaktion, handler det om, hvordan dets atomer er arrangeret. Det endelige mål med nanoteknologi er centreret omkring evnen til at designe og bygge materialer atom for atom, således at forskere kan kontrollere deres ejendomme i ethvert givet scenario. Imidlertid, atomafbildningsteknikker har ikke været tilstrækkelige til at bestemme de præcise tredimensionelle atomarrangementer af materialer i flydende opløsning, som ville fortælle forskere, hvordan materialer opfører sig i hverdagen, såsom i vand eller blodplasma.

Forskere ved Center for Nanopartikelforskning inden for Institute for Basic Science (IBS, Sydkorea), i samarbejde med Dr. Hans Elmlund ved Monash University's Biomedicine Discovery Institute i Australien og Dr. Peter Ercius ved Lawrence Berkeley National Laboratory's Molecular Foundry i USA, har rapporteret en ny analytisk metode, der kan løse 3-D-strukturen af ​​individuelle nanopartikler med atomniveauopløsning. De 3-D atomare positioner for individuelle nanopartikler kan ekstraheres med en præcision på 0,02 nm-seks gange mindre end det mindste atom:hydrogen. Med andre ord, denne metode i høj opløsning registrerer individuelle atomer, og hvordan de er arrangeret i en nanopartikel.

Forskerne kalder deres udvikling 3-D SINGLE (Structure Identification of Nanoparticles by Graphene Liquid cell Electron microscopy) og anvender matematiske algoritmer til at udlede 3D-strukturer fra et sæt 2-D billeddannelsesdata erhvervet af et af de mest kraftfulde mikroskoper på Jorden . Først, en nanokrystalopløsning er klemt inde mellem to grafenark, der hver kun er et enkelt atom tykt. "Hvis en fiskeskål var lavet af et tykt materiale, det ville være svært at gennemskue det. Da grafen er det tyndeste og stærkeste materiale i verden, vi skabte grafenlommer, der gør det muligt for mikroskopets elektronstråle at skinne gennem materialet og samtidig forsegle den flydende prøve, "forklarer Park Jungwon, en af ​​de tilsvarende forfattere til undersøgelsen (adjunkt ved School of Chemical and Biological Engineering i Seoul National University).

Forskerne får film med 400 billeder pr. Sekund af hver nanopartikel, der frit kan rotere i væske ved hjælp af et højopløselig transmissionselektronmikroskop (TEM). Teamet anvender derefter deres rekonstruktionsmetode til at kombinere 2-D-billederne til et 3D-kort, der viser atomarrangementet. Lokalisering af hvert atoms præcise position fortæller forskere, hvordan nanopartiklen blev skabt, og hvordan den vil interagere i kemiske reaktioner.

Undersøgelsen definerede atomstrukturer for otte platin -nanopartikler - platin er den mest værdifulde af ædle metaller, anvendes i en række applikationer, såsom katalytiske materialer til energilagring i brændselsceller og petroleumraffinering. Selvom alle partiklerne blev syntetiseret i samme batch, de viste vigtige forskelle i deres atomstrukturer, som påvirker deres ydeevne.

"Nu er det muligt eksperimentelt at bestemme de præcise 3D-strukturer af nanomaterialer, der kun var teoretisk spekuleret. Den metode, vi udviklede, vil bidrage til felter, hvor nanomaterialer bruges, såsom brændselsceller, brintkøretøjer, og petrokemisk syntese, "siger Dr. Kim Byung Hyo, undersøgelsens første forfatter. Især denne metode kan måle atomforskydningen og belastningen på overfladeatomer af individuelle nanopartikler. Stamningsanalysen fra 3D-rekonstruktionen letter karakterisering af de aktive steder for nanokatalysatorer i atomskala, hvilket gør det muligt for strukturbaseret design at forbedre de katalytiske aktiviteter. Metoden kan også bidrage mere generelt til forbedring af nanomaterialers ydeevne.

"Vi har udviklet en banebrydende metode til bestemmelse af de strukturer, der styrer nanopartiklers fysiske og kemiske egenskaber på atomniveau i deres oprindelige miljø. Metoden vil give vigtige spor i syntesen af ​​nanomaterialer. Algoritmen, vi introducerede, er relateret til nyt lægemiddel udvikling gennem strukturanalyse af proteiner og big data -analyse, så vi forventer yderligere anvendelse på ny konvergensforskning, "bemærker direktør Hyeon Taeghwan fra IBS Center for Nanoparticle Research.