Wetenschappers tellen elektrische ladingen in een enkel katalysator-nanodeeltje tot aan het elektron

Als je vaak merkt dat je er een bent bij het tellen van je sokken na het doen van de was, wil je hier misschien voor gaan zitten.

Wetenschappers in Japan hebben nu het aantal extra – of ontbrekende – ladingen geteld tot een nauwkeurigheid van slechts één elektron in enkele platina-nanodeeltjes met een diameter van slechts een tiende van die van gewone virussen.

Dit nieuwe proces voor het nauwkeurig bestuderen van verschillen in nettolading op metalen nanodeeltjes zal helpen bij het verder begrip en de ontwikkeling van katalysatoren voor het afbreken van broeikasgassen en andere schadelijke gassen in brandstoffen en goedaardige gassen of voor het efficiënt produceren van ammoniak die nodig is voor meststoffen die in de landbouw worden gebruikt.

Onder leiding van Kyushu University en Hitachi Ltd. bereikte het onderzoeksteam deze prestatie van extreem tellen door hardware- en softwareverbeteringen die de gevoeligheid van een techniek genaamd elektronenholografie tien keer verhoogden.

Terwijl transmissie-elektronenmicroscopie een elektronenbundel gebruikt om materialen tot op atomair niveau te observeren, gebruikt elektronenholografie de golfachtige eigenschappen van elektronen om elektrische en magnetische velden te onderzoeken.

Interactie van een elektron met velden veroorzaakt een faseverschuiving in zijn golf die kan worden geïdentificeerd door deze te vergelijken met een referentiegolf van een onaangetast elektron.

In het nieuwe werk richtten de onderzoekers hun microscopen op enkele nanodeeltjes van platina op een oppervlak van titaniumoxide, een combinatie van materialen waarvan al bekend is dat ze als katalysator werken en chemische reacties versnellen.

Gemiddeld hadden de platina-nanodeeltjes een diameter van slechts 10 nm – zo klein dat er bijna 100.000 nodig waren om één millimeter te overspannen.

“Hoewel elk deeltje enkele tienduizenden platina-atomen bevat, veroorzaakt de toevoeging of verwijdering van slechts een of twee negatief geladen elektronen significante veranderingen in het gedrag van de materialen als katalysatoren”, zegt Ryotaro Aso, universitair hoofddocent aan de faculteit van Kyushu University. of Engineering en eerste auteur van het artikel in het tijdschrift Wetenschap het werk melden.

Door de velden rond een platina-nanodeeltje te meten – die variëren afhankelijk van de onbalans van positieve en negatieve ladingen in het deeltje – in een omgeving zonder lucht, konden de onderzoekers het aantal extra of ontbrekende elektronen bepalen dat de velden creëert.

“Van de miljoenen positief geladen protonen en negatief geladen elektronen die elkaar in evenwicht houden in het nanodeeltje, konden we met succes zien of het aantal protonen en elektronen slechts één verschilde”, legt Aso uit.

Hoewel de velden te zwak zijn om met eerdere methoden waar te nemen, hebben de onderzoekers de gevoeligheid verbeterd door gebruik te maken van een ultramoderne 1,2-MV atomaire resolutie holografiemicroscoop ontwikkeld en beheerd door Hitachi die mechanische en elektrische ruis vermindert en vervolgens de gegevens verwerkt. om het signaal verder uit de ruis te halen.

De signaalverwerkingstechniek, ontwikkeld door Yoshihiro Midoh van de Universiteit van Osaka, een van de co-auteurs van het artikel, maakte gebruik van het zogenaamde wavelet hidden Markov-model (WHMM) om de ruis te verminderen zonder ook de extreem zwakke signalen van belang te verwijderen.

Naast het identificeren van de ladingstoestand van individuele nanodeeltjes, konden de onderzoekers verschillen in het aantal elektronen, variërend van één tot zes, in verband brengen met verschillen in de kristalstructuur van de nanodeeltjes.

Hoewel het aantal elektronen per gebied eerder is gerapporteerd door middel van een meting van een groot gebied van veel deeltjes, is dit de eerste keer dat wetenschappers een enkel elektronverschil in een enkel deeltje konden meten.

“Door doorbraken in microscopiehardware en signaalverwerking te combineren, zijn we in staat om fenomenen op steeds kleinere niveaus te bestuderen”, zegt Yasukazu Murakami, professor aan de faculteit Ingenieurswetenschappen van Kyushu University en supervisor van het Kyushu U-team.

“In deze eerste demonstratie hebben we de lading van een enkel nanodeeltje in vacuüm gemeten. In de toekomst hopen we de uitdagingen te overwinnen die ons momenteel beletten dezelfde metingen te doen in de aanwezigheid van gas om informatie te krijgen in omgevingen die dichter bij de werkelijke toepassingen liggen. .”