Veelzijdige nanothermometer maakt real-time materiaalstructuur- en temperatuurobservatie mogelijk

Technologische vooruitgang in de gelijktijdige observatie van ultrafijne structuren en temperatuurveranderingen in materialen maakt de weg vrij voor de ontwikkeling van geavanceerde materialen. Verwacht wordt dat deze innovatie de analyse van de correlatie tussen specifieke structuren en de thermodynamische eigenschappen van monsters zal vergemakkelijken.

Een onderzoeksteam onder leiding van professor Oh-Hoon Kwon van de afdeling scheikunde van UNIST kondigde de ontwikkeling aan van een veelzijdige nanothermometer, die in staat is om nauwkeurig de temperatuur van micromonsters te meten in transmissie-elektronenmicroscopie (TEM).

Deze nieuw ontworpen nanothermometer meet de temperatuur door het kathodoluminescentiespectrum (CL) te analyseren dat wordt uitgezonden door nanodeeltjes die dienen als thermometers wanneer ze worden onderworpen aan een elektronenstraal. Bij TEM fungeert de elektronenbundel als een verlichtingsbron voor het observeren van de microstructuur van een monster en wordt deze ook gebruikt voor temperatuurmetingen.

Hoewel eerder ontwikkelde nanothermometers naast in situ TEM konden worden gebruikt voor het observeren van veranderingen in de microstructuur, vereisten ze aanpassingen op basis van de sterkte van de elektronenbundel, wat aanzienlijke uitdagingen voor onderzoekers opleverde.

In de studie, gepubliceerd in ACS Nanoheeft het onderzoeksteam de betrouwbaarheid en veelzijdigheid van de thermometer verbeterd door verschillende nanothermometermaterialen te selecteren. Ze kozen voor dysprosiumionen (Dy³⁺) als het actieve materiaal voor kathodestraalemissie, waardoor verbeterde prestaties mogelijk zijn.

Onderzoeker Won-Woo Park, de hoofdauteur van de studie, legde uit: “De verdeling van kwantumtoestanden in het CL-spectrum van Dy³⁺ volgt een Boltzmann-verdeling die uitsluitend afhankelijk is van de temperatuur, ongeacht de sterkte van de elektronenbundel.” De Boltzmann-verdeling is een statistische verdeling die het fenomeen beschrijft waarmee het aandeel hoogenergetische kwantumtoestanden toeneemt bij stijgende temperatuur.

Het onderzoeksteam nam Dy³⁺ omgezet in yttriumvanadaat (YVO₄), een materiaal dat de hoge energie van de elektronenbundel kan weerstaan, om nanothermometerdeeltjes van 150 nm te synthetiseren. Bij evaluatie over een temperatuurbereik van -170°C tot 50°C lag de meetfout van de ontwikkelde thermometer binnen ongeveer 4°C.

Bovendien verhoogde het team met succes de temperatuur door het monster met een laserstraal te bestralen en volgde het de ruimtelijke verdeling van temperatuurveranderingen. Deze prestatie onderstreept de effectiviteit van de technologie voor het gelijktijdig waarnemen van temperatuur- en structurele veranderingen in realtime als gevolg van externe stimuli.

Professor Kwon merkte op: “Door het materiaal voor de nanothermometer opnieuw te ontwerpen, hebben we de betrouwbaarheid van temperatuurmetingen aanzienlijk verbeterd en de veelzijdigheid vergroot.” Hij voegde eraan toe: “Deze innovatie zal ook bijdragen aan de ontwikkeling van temperatuurgevoelige secundaire batterijmaterialen en displaymaterialen voor laad- en ontlaadtoepassingen.”