Ny metode til at analysere nanoporøse materialer

Ud over deres hovedkomponenter afhænger egenskaberne af krystallinske og nanoporøse materialer ofte afgørende af gæsteatomer eller ioner, der er indlejret i de små porer i deres gitterstruktur. Det gælder højteknologiske materialer, der anvendes inden for sensor- eller separationsteknologi samt naturlige materialer. Den blålige ædelsten akvamarin, for eksempel, ville være farveløs uden sådanne gæstekomponenter.

Det er vanskeligt at bestemme typen og placeringen af ​​gæstekomponenter, da mange materialer reagerer følsomt på strålingsemissioner fra elektronmikroskoper.

Takket være en ny metode udviklet af et team ledet af Daniel Knez og Ferdinand Hofer ved Institut for Elektronmikroskopi og Nanoanalyse ved Graz University of Technology (TU Graz), kan dette nu gøres med mindre stråling og er derfor meget lettere. Forskerne offentliggjorde deres resultater i tidsskriftet Communications Materials.

"Det unikke ved vores metode ligger i, at vi kan bestemme den tredimensionelle fordeling af ioner i krystalkanaler eller nanoporer baseret på et enkelt elektronmikroskopbillede," siger Daniel Knez.

Aquamarinens mystiske blå farve

Forskerne udviklede deres metode, mens de analyserede ædelstenen akvamarin. Indtil nu var det ikke kendt, hvor præcis det jern, der giver stenen dens blå farve, er placeret i krystallen.

En hypotese var, at individuelle jernatomer sidder fast i porerne og skaber denne effekt derfra. Men dette er nu blevet tilbagevist. Forskerne har i deres forsøg fastslået uden tvivl, at der ikke er jern i porerne, men derimod cæsiumioner. De farvegivende jernatomer er placeret i umiddelbar nærhed af cæsiumionerne, men er integreret i krystalgitterets søjler.

Et enkelt billede med atomopløsning som grundlag

Til deres eksperimenter optog forskerne et såkaldt Z-kontrastbillede af akvamarinkrystallen ved atomopløsning ved hjælp af ASTEM-mikroskopet, et scanningstransmissionselektronmikroskop. Elektronstrålen i ASTEM-mikroskopet er fokuseret på overfladen af ​​krystalprøven og trænger også ind i materialets porer. Hvis det rammer ioner, der er gemt der, vises de som lyse prikker i billedet.

Baseret på styrken af ​​kontrasten med tomme porer og de tilstødende gitterstrukturer kan forskerne bestemme typen af ​​indlejrede ioner og også vurdere, hvor dybt de er placeret i porerne.

Disse data blev statistisk analyseret og sammenlignet med et stort antal simuleringer af krystalstrukturen for at kunne estimere de forskellige faktorer, der påvirker det målte signal.

Innovativ metode åbner nye muligheder for materialevidenskab

Udover grundforskning er den nye metode også velegnet til målrettet udvikling af nye materialer. "Vores metode kan bruges til præcist at bestemme placeringen af ​​dopingelementer, dvs. målrettede funktionskontrollerende additiver, i nanoporøse materialer såsom zeolitter eller metalorganiske rammeforbindelser," siger Ferdinand Hofer.

Dette letter optimeringen af ​​(enkeltatom) katalysatorer og faststofelektrolytter i fremtidige batterier eller udviklingen af ​​biomedicinske applikationer til styring af lægemiddeloptagelse.

Flere oplysninger: Daniel Knez et al., Tredimensionel fordeling af individuelle atomer i berylkanalerne, Kommunikationsmaterialer (2024). DOI:10.1038/s43246-024-00458-8

Leveret af Graz University of Technology