3D -beeldvormingstechniek legt dynamische atoomverschuivingen vast in nanodeeltjes, wat onverwachte structurele fasen onthult

Een onderzoeksteam van Seoul National University College of Engineering heeft een technologie ontwikkeld om atomaire structurele veranderingen van nanodeeltjes in drie dimensies te observeren. Hun studie, die een langdurige uitdaging oplost, zelfs voorbij Nobelprijswinnaars konden niet oplossen, was gepubliceerd Online in Natuurcommunicatie op 29 januari.

Onlangs hebben nanodeeltjes veel aandacht gekregen omdat ze veel worden gebruikt bij het ontwikkelen van functionele materialen voor geavanceerde industrieën zoals energie, milieu en geneeskunde. Vanwege hun grootte op nanoschaal – met slechts enkele nanometer – vertonen niet -nanometer – nanodeeltjes unieke fysische en chemische eigenschappen. Hun reactiviteit varieert aanzienlijk met de grootte, waardoor het cruciaal is om structurele veranderingen te observeren.

Bestaande technieken voor het analyseren van nanostructuren hebben echter beperkingen. Ze zijn vaak beperkt tot vaste nanodeeltjes onder vacuümomstandigheden of bieden alleen gemiddelde informatie uit meerdere nanodeeltjes, waardoor observaties worden beperken tot eenvoudige structurele identificatie. Als gevolg hiervan blijft het direct observeren van de driedimensionale atoomstructuur van individuele nanodeeltjes in de tijd in vloeibare omgevingen een formidabele technische uitdaging.

In tegenstelling tot nanodeeltjes zijn de driedimensionale atomaire structuren van eiwitten al opgehelderd. Deze doorbraak werd mogelijk gemaakt door de Revolutionaire Cryo-Transmission Electron Microscopy (Cryo-TEM) -techniek ontwikkeld door drie wetenschappers die de Nobelprijs voor chemie 2017 wonnen.

Voortbouwend op deze innovatie heeft het onderzoeksteam van professor Jungwon Park het veld verder geavanceerd door een ‘vloeibare transmissie-elektronenmicroscopie (Liquid TEM)’ te ontwikkelen met behulp van grafeen, waardoor driedimensionale visualisatie van nanostructuren in oplossing mogelijk is. De eerdere studie van het onderzoeksteam over deze techniek, genaamd Brownian Tomography, was te zien op de cover van Wetenschap in 2020.

Doorgaan met dit traject, heeft het team van professor Park nu de tijdopgeloste Brownse tomografietechniek ontwikkeld, waardoor realtime tracking van driedimensionale atomaire structurele veranderingen in individuele nanodeeltjes mogelijk is. Deze vooruitgang opent nieuwe wegen voor een dieper begrip van veranderingen op atoomniveau in nanodeeltjes tijdens complexe chemische reacties. Vooral aanzienlijk is dat dit onderzoek, ondersteund door het toekomstige technologieontwikkelingsprogramma van Samsung – een initiatief dat pionieronderzoek financiert die wetenschappelijke grote uitdagingen aanpakt – met succes een eerder onoplosbaar probleem heeft aangepakt.

Het onderzoeksteam ontwikkelde een methode om vrij te observeren van nanodeeltjes in oplossing door gebruik te maken van de techniek van de grafeenvloeistofcelmicroscopie (grafeen vloeibare celtem). Deze methode omvat het vastleggen van nanodeeltjes die Brownse beweging ondergaan (willekeurige beweging van microscopische deeltjes in vloeistof) vanuit meerdere hoeken in de loop van de tijd en het reconstrueren van de verzamelde gegevens in een driedimensionale visualisatie.

In tegenstelling tot conventionele TEM, die meestal vaste nanodeeltjes onderzoekt in vacuümomstandigheden, of spectroscopische methoden die alleen gemiddelde informatie uit tal van nanodeeltjes bieden, vertegenwoordigt deze doorbraak een significante sprong voorwaarts. Het is de allereerste technologie die in staat is om direct de driedimensionale atoomopstelling van een enkel nanodeeltje te meten terwijl deze dynamisch verandert in een vloeibare omgeving.

Bovendien heeft het onderzoeksteam met behulp van de nieuw ontwikkelde techniek een diepgaande studie uitgevoerd naar de structurele veranderingen van nanodeeltjes van platina (PT) op het atoomniveau tijdens het ets (chemische corrosie) proces. Ze hebben met succes de precieze momenten vastgelegd wanneer oppervlakte-atomen vrijstaand (gedesorbeerd), herschikt of opnieuw bevestigd (opnieuw geadsorbeerd) in drie dimensies.

Bovendien ontdekten ze dat wanneer de nanokristallen krimpen tot ongeveer 1 nm groot, een zeer ongeordende fase naar voren kwam – een onverwachte bevinding omdat platina over het algemeen een sterk geordende atoomstructuur vertoont. Deze studie suggereert dat extreem kleine nanodeeltjes unieke structurele kenmerken kunnen vertonen die verschillen van hun grotere tegenhangers, zelfs wanneer ze uit hetzelfde elementaire materiaal zijn samengesteld.

Bovendien wordt de in de tijd opgeloste Browniaanse tomografietechniek beschouwd als een transformerende vooruitgang in de observatie van atomaire structuur, het overtreffen van conventionele ’transmissie-elektronenmicroscopie’ (TEM) en cryo-TEM, waarvan de laatste cruciaal was bij het winnen van de Nobelprijs van 2017 in de chemie. Met deze innovatie kunnen onderzoekers analyseren hoe de driedimensionale structuren van nanomaterialen zich in de loop van de tijd evolueren onder verschillende chemische aandoeningen, zoals toegepaste spanning of reactieve oplossingssamenstelling.

De bevindingen van de studie zullen naar verwachting een beter begrip bieden van structurele veranderingen die de prestaties van nanomaterialen van de volgende generatie beïnvloeden, waaronder metalen, halfgeleiders en oxiden. Bovendien heeft dit onderzoek met succes structurele veranderingen waargenomen in platina-nanodeeltjes-kritische katalysatoren voor milieuvriendelijke waterstofergietoepassingen-het basiswerk voor toekomstige krachtige ontwikkeling van katalysator.

Professor Park benadrukte: “De ontwikkeling van in de tijd opgeloste Browniaanse tomografie blijft de erfenis van de Nobelprijswinnende Cryo-Tem 2017 en onze 2020 wetenschapsbediende vloeibare TEM-innovatie. Deze nieuwe techniek zal aanzienlijk bijdragen aan het ontrafelen van complexe reactiemechanisme in waterstofcellen, CO₂-conversiekatalysters, lithium-ionenbatterijen, en andere geavanceerde energiematerialen, facilitatie van het ontwerpen van superior materialen, facilitatie van het ontwerpen van superior materiaal.”

De hoofdauteur van het artikel, Sungsu Kang, merkte op: “Ons onderzoek heeft direct realtime structurele veranderingen op atoomniveau vastgelegd van nanokristallen in vloeibare omgevingen. Deze prestatie is vooral belangrijk omdat het met succes atomaire bewegingen en de opkomst van nieuwe fasen uniek is voor nanomaterialen-fenomenen die uitdagend waren om conventionele spectroscopische of elektrochemische methoden te detecteren.”