Banebrydende visualisering af atomare bevægelser

Fig. 1:Dynamisk analyse af en udgangsbølge. en Illustration af den generiske model Eq. (1) af udgangsbølgens imaginære del Im( <ΨN(r)> ) fra en statisk søjle af atomer, moduleret af DW-faktorer, og en dynamisk søjle med atomudsving, der overstiger DW-værdien. b–f Benchmark-anvendelse af model Eq. (1) til analysen af en Co–Mo–S nanokrystal. b Den imaginære del af EW1 af en Co–Mo–S nanokrystal set i <001> orientering. c Højdekort, der viser atomsøjlepositionerne langs stråleretningen i forhold til et fælles billedplan som funktion af positionen i billedplanet. d V/(πR2) kort, der viser de projekterede atomsøjlepotentialer skaleret efter atomernes gennemsnitlige areal. e Rav-kort, der viser spredningsradius for atomsøjlerne. f V-kort, der viser atomsøjlernes integrerede potentiale. Kredit:DOI:10.1038/s41467-021-24857-4

I de seneste år, en gruppe førende elektronmikroskopi- og katalyseforskere har arbejdet på at bestemme de tredimensionelle arrangementer af atomer i nanopartikelkatalysatorer i kemiske processer. Deres arbejde har kombineret eksperimentelle målinger med matematisk modellering.

Resultatet er en ny metode, der gør det muligt at identificere og lokalisere de enkelte atomer i nanopartiklerne, også selvom de vibrerer og bevæger sig.

Indtil nu, atomer i nanopartikler har været forventet at være statiske under observationer. Men forskernes analyser af 3D-billeder i atomskala viste, at den oprindelige forventning ikke er tilstrækkelig. I stedet, forskerne afslørede en dynamisk opførsel af atomerne ved hjælp af en ny analysemetode.

I deres arbejde, forskerne har valgt at bruge et velkendt katalytisk nanopartikelmateriale, nemlig molybdændisulfid. Da materialets atomstruktur er velkendt, det gav et godt grundlag for at fortolke forskergruppens 3D atomopløste billeder kompileret ved hjælp af det unikke TEAM 0.5 elektronmikroskop ved Lawrence Berkeley National Laboratory, som tilbyder den højeste opløsning i picometer-skala i verden.

Den nye metode er beskrevet og publiceret i det anerkendte videnskabelige tidsskrift Naturkommunikation .

Ny model sikrer identifikation af atomer

Den matematiske model gør det muligt at identificere de enkelte atomer i nanopartiklerne, selvom de bevæger sig. Modellen måler både intensiteten og bredden af atomerne på billederne.

"Indtil nu, at bestemme hvilket atom vi observerer har været udfordrende på grund af sløring forårsaget af atomernes svingninger. Imidlertid, ved at indregne svingningerne, vi kan mere præcist identificere, for eksempel, placeringen af individuelle svovl- eller molybdænatomer, siger professor Stig Helveg, DTU Fysik, som er en del af forskningsgruppen.

Den nye model gør det også muligt at korrigere ændringer af nanopartiklerne i form af svingninger som følge af belysning af energiske elektroner i elektronmikroskopet. Det vil således gøre det muligt at fokusere på den kemiske information, der er gemt i billederne, atom for atom - hvilket er essensen af forskningen.

Næste trin er målefunktion

Forskerne håber, at den nye banebrydende model vil finde anvendelse af andre forskere inden for deres felt. Modellen skal også danne grundlag for Stig Helvegs nye grundforskningscenter på DTU, VISION.

Her, fokus vil fortsætte et skridt videre ved at kombinere de atomopløste billeder med målinger af nanopartiklernes katalytiske egenskaber. Den producerede viden vil bidrage til udviklingen af nanopartikler til katalytiske processer som led i omstillingen til bæredygtig energi.

Sidste artikelSuperledende nanotråds-enkeltfoton-detektorer:Næste store ting inden for blodgennemstrømningsmåling

Næste artikelEt foto-genopladeligt blyfrit perovskite lithium-ion batteri, der genererer og lagrer energi