Baanbrekende visualisatie van atomaire bewegingen

Fig. 1: Dynamische analyse van een uitgangsgolf. a Illustratie van het generieke model Vgl. (1) van het denkbeeldige deel van de uitgangsgolf Im() van een statische kolom van atomen, gemoduleerd door DW-factoren, en een dynamische kolom met atoomexcursies die de DW-waarde overschrijden. b-f Benchmarktoepassing van model Vgl. (1) voor de analyse van een Co-Mo-S nanokristal. b Het denkbeeldige deel van de EW1 van een Co-Mo-S nanokristal gezien in oriëntatie. c Hoogtekaart die de atomaire kolomposities langs de bundelrichting toont ten opzichte van een gemeenschappelijk beeldvlak als functie van de positie in het beeldvlak. d V/(πR2) kaart die de geprojecteerde atomaire kolompotentialen toont, geschaald door het gemiddelde oppervlak van de atomen. e Rav-kaart met de spreidingsradius van de atoomkolommen. f V-kaart die het geïntegreerde potentieel van de atomaire kolommen toont. Krediet: DOI: 10.1038/s41467-021-24857-4

De afgelopen jaren heeft een groep vooraanstaande onderzoekers op het gebied van elektronenmicroscopie en katalyse gewerkt aan het bepalen van de driedimensionale rangschikking van atomen in katalysatoren van nanodeeltjes in chemische processen. Hun werk heeft experimentele metingen gecombineerd met wiskundige modellering.

Het resultaat is een nieuwe methode die het mogelijk maakt om de individuele atomen in het nanodeeltje te identificeren en te lokaliseren, zelfs als ze trillen en bewegen.

Tot nu toe werd verwacht dat atomen in nanodeeltjes statisch zijn tijdens waarnemingen. Maar de analyses van de onderzoekers van 3D-beelden op atomaire schaal toonden aan dat de oorspronkelijke verwachting niet voldoende is. In plaats daarvan onthulden de onderzoekers een dynamisch gedrag van de atomen met behulp van een nieuwe analytische methode.

In hun werk hebben de onderzoekers ervoor gekozen om een ​​bekend katalytisch nanodeeltjesmateriaal te gebruiken, namelijk molybdeendisulfide. Omdat de atomaire structuur van het materiaal bekend is, vormde het een goede basis voor het interpreteren van de 3D-atomaire-opgeloste beelden van de onderzoeksgroep, samengesteld met behulp van de unieke TEAM 0.5 elektronenmicroscoop van het Lawrence Berkeley National Laboratory, dat de hoogste resolutie op picometerschaal ter wereld biedt .

De nieuwe methode is beschreven en gepubliceerd in het gerenommeerde wetenschappelijke tijdschrift Natuurcommunicatie.

Nieuw model zorgt voor identificatie van atomen

Het wiskundige model maakt het mogelijk om de individuele atomen in het nanodeeltje te identificeren, zelfs als ze bewegen. Het model meet zowel de intensiteit als de breedte van de atomen in de afbeeldingen.

“Tot nu toe was het een uitdaging om te bepalen welk atoom we waarnemen vanwege de vervaging veroorzaakt door de oscillaties van de atomen. Maar door rekening te houden met de oscillaties, kunnen we bijvoorbeeld de locatie van individuele zwavel- of molybdeenatomen nauwkeuriger identificeren, “, zegt professor Stig Helveg, DTU Natuurkunde, die deel uitmaakt van de onderzoeksgroep.

Het nieuwe model maakt het ook mogelijk om veranderingen van de nanodeeltjes te corrigeren in de vorm van oscillaties als gevolg van de verlichting van energetische elektronen in de elektronenmicroscoop. Het maakt het dus mogelijk om atoom voor atoom te focussen op de chemische informatie die in de afbeeldingen verborgen zit, wat de essentie van het onderzoek is.

De volgende stap is het meten van de functie

De onderzoekers hopen dat het nieuwe baanbrekende model ook door andere onderzoekers binnen hun vakgebied zal worden gebruikt. Het model zal ook een basis vormen voor het nieuwe basisonderzoekscentrum van Stig Helveg bij DTU, VISION.

Hier zal de focus een stap verder gaan door de atomaire opgeloste beelden te combineren met metingen van de katalytische eigenschappen van de nanodeeltjes. De opgedane kennis zal bijdragen aan de ontwikkeling van nanodeeltjes voor katalytische processen als onderdeel van de transitie naar duurzame energie.