De 3D -kristallen geheimen van defecte nanodeeltjes onthullen

Nanomaterialen zijn de toekomst van moderne technologie. Van het aandrijven van batterijen tot het verbeteren van schone energiesystemen en efficiënte katalysatoren, nanomaterialen zijn overal. Hun unieke eigenschappen komen vaak voort uit de precieze regelingen van hun atomen.

Maar ondanks hun belang zijn de kleinste bouwstenen van deze materialen vaak verborgen gebleven, wat een belangrijke beperking is voor analyse – vooral wanneer de materialen te gevoelig zijn om de sterke elektronenstralen te weerstaan ​​die worden gebruikt bij traditionele beeldvorming.

Het overwinnen van deze hindernis, een team van onderzoekers van het Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST), heeft nu een doorbraakmethode bedacht die gedetailleerde analyse belooft zonder structureel compromis.

Door het combineren van transmissie-elektronenmicroscopie met hoge resolutie (HRTEM) met een gegevensgestuurde roostercorrelatieanalyse, heeft het team met succes de driedimensionale atoomstructuur van titanium oxyhydroxide nanodeeltjes in kaart gebracht, een klasse van materialen die zijn gepresenteerd voor hun toepassingen in energieapparaten en geavanceerde katalyseren.

De studie werd geleid door professor Yoshifumi Oshima van JAIST samen met zijn teamgenoten, waaronder senior docent Kohei Aso, senior technisch specialist Koichi Higashimine, voormalig senior docent Masanobu Miyata uit Jaist en Dr. Hiroshi Kamio uit Nippon Steel, Japan. Hun bevindingen waren gepubliceerd in het dagboek Communicatiechemie op 28 april 2025.

Een van de meest opmerkelijke aspecten van deze nieuwe techniek is hoe het de fragiele nanomaterialen tijdens beeldvorming beschermt. Traditionele elektronenmicroscopie is sterk afhankelijk van sterke elektronenstralen om gedetailleerde afbeeldingen te genereren. Deze stralen beschadigen vaak de gevoelige monsters (zoals titanium oxyhydroxiden) voordat ze kunnen worden geanalyseerd.

Maar de nieuwe methode lost dit probleem op door de blootstelling aan elektronen met 20 tot 500 keer te verminderen in vergelijking met conventionele technieken, waardoor een verbeterde resolutie wordt geleverd zonder het risico op bundel-geïnduceerde schade.

“Het beheersen van de kristalstructuren van metaaloxyhydroxiden is de sleutel voor hun toepassingen, maar dit wordt vaak beperkt door de moeilijkheden om deze bundelgevoelige nanomaterialen te analyseren,” legt senior docent ASO uit. “Maar onze methode maakt een veiligere aanpak voor structurele analyse mogelijk, waardoor onderzoekers hun eigenschappen effectief kunnen begrijpen en beheersen.”

Met behulp van deze aanpak deed het team een ​​fascinerende ontdekking over metatitaanzuur (h₂TIO₃), een op titanium gebaseerd materiaal en een belangrijk onderdeel in verschillende katalytische en energietoepassingen.

De analyse onthulde een afwisselend gelaagde structuur van het metatitaanzuur, dat bestond uit titaniumdioxide (TIO₂) en titaniumhydroxide (Ti (OH)₄). Deze structuur bleek erg vergelijkbaar te zijn met anatase, een natuurlijk mineraal van titaniumdioxide (TIO₂) met unieke optische en elektronische eigenschappen.

“De opvallende structurele gelijkenis tussen metatitaanzuur en anatase verklaart levendig waarom metatitaanzuur een algemeen favoriete voorloper is voor de synthese van de anatasefase van TIO₂“zegt senior docent Aso.

Deze ontdekking opent mogelijkheden voor het ontwerpen van materialen met verbeterde functionaliteit voor real-world gebruik van titanium oxyhydroxide, zoals het verbeteren van de efficiëntie van chemische reacties in katalysatoren of het stimuleren van de prestaties van materialen in batterijen en sensoren.

Hoewel de structurele analyse van titaniumoxyhydroxide een groot potentieel heeft, reiken de implicaties van het onderzoek veel verder dan een enkel materiaal. Er zijn veel geavanceerde nanomaterialen die momenteel worden gebruikt in de geavanceerde technologieën van vandaag die lijden aan dezelfde kwetsbaarheid voor schade aan elektronenstraal. De bij JAIST ontwikkelde methode vormt het toneel voor het onderzoeken van deze materialen op verbeterde resultaten en innovaties in schone energie, elektronica en duurzame technologieën.

Naast het uitbreiden van wat mogelijk is in experimenteel onderzoek, past de studie goed overeen met de groeiende rol van computationeel onderzoek in de materialenwetenschap. Vooruitkijkend, stellen de onderzoekers voor dat hun roostercorrelatieanalyse een essentieel hulpmiddel wordt in deze gegevensgestuurde toekomst, waardoor Smarter Material Design en de ontwikkeling van hoogwaardige apparaten mogelijk zijn.