Forskere teller elektriske ladninger i en enkelt katalysatornanopartikkel ned til elektronet

Hvis du ofte finner deg selv unna én når du teller sokkene etter å ha vasket, kan det være lurt å sette seg ned for dette.

Forskere i Japan har nå telt antall ekstra – eller savnede –kostnader ned til en presisjon på bare ett elektron i enkeltplatinananopartikler som har en diameter på bare en tiendedel av vanlige virus.

Denne nye prosessen for nøyaktig å studere forskjeller i netto ladning på metallnanopartikler vil hjelpe til med videre forståelse og utvikling av katalysatorer for å bryte ned drivhusgasser og andre skadelige gasser til drivstoff og godartede gasser eller for effektiv produksjon av ammoniakk som trengs for gjødsel brukt i landbruket.

Ledet av Kyushu University og Hitachi Ltd., oppnådde forskerteamet denne bragden med ekstrem telling gjennom maskinvare- og programvareforbedringer som økte tidoblet følsomheten til en teknikk kalt elektronholografi.

Samtidig som transmisjonselektronmikroskopi bruker en elektronstråle for å observere materialer ned til atomnivå, elektronholografi utnytter de bølgelignende egenskapene til elektroner til å undersøke elektriske og magnetiske felt.

Interaksjon av et elektron med felt forårsaker en faseendring i sin bølge som kan identifiseres ved å sammenligne den med en referansebølge av et upåvirket elektron.

I det nye arbeidet fokuserte forskerne mikroskopene sine på enkelt nanopartikler av platina på en overflate av titanoksid, en kombinasjon av materialer som allerede er kjent for å fungere som en katalysator og fremskynde kjemiske reaksjoner.

I gjennomsnitt hadde platinananopartiklene diametre på bare 10 nm – så små at det ville ta nesten 100 000 for å spenne over én millimeter.

“Mens hver partikkel inneholder noen få titusenvis av platinaatomer, forårsaker tillegg eller fjerning av bare ett eller to negativt ladede elektroner betydelige endringer i materialenes oppførsel som katalysatorer,” sier Ryotaro Aso, førsteamanuensis ved Kyushu-universitetets fakultet. of Engineering og førsteforfatter på papiret i tidsskriftet Vitenskap rapportere arbeidet.

Måling av feltene rett rundt en platinananopartikkel – som varierer avhengig av ubalansen mellom positiv og negative ladninger i partikkelen – i et miljø fritt for luft, kunne forskerne bestemme antall ekstra eller manglende elektroner som skaper feltene.

“Blant de millioner av positivt ladede protoner og negativt ladede elektroner som balanserer hverandre ut i nanopartikkelen, kunne vi med hell fortelle om antallet protoner og elektroner var forskjellig med bare én,” forklarer Aso.

Selv om feltene er for svake til å observere med tidligere metoder, forbedret forskerne følsomheten ved å bruke et toppmoderne 1,2-MV atom-oppløsning holografimikroskop utviklet og drevet av Hitachi som reduserer mekanisk og elektrisk støy og deretter behandle dataene for å fjerne signalet fra støyen ytterligere.

Utviklet av Osaka Universitys Yoshihiro Midoh, en av avisens medforfattere, Signal Prosessering teknikk benyttet den såkalte wavelet hidden Markov-modellen (WHMM) for å redusere støyen uten også å fjerne de ekstremt svake signalene av interesse.

I tillegg til å identifisere ladningstilstanden til individuelle nanopartikler, var forskerne i stand til å relatere forskjeller i antall elektroner, som varierte fra én til seks, til forskjeller i krystallstrukturen til nanopartikler.

Mens antall elektroner per område tidligere har blitt rapportert ved å beregne gjennomsnitt over et stort område av mange partikler, er dette første gang forskere kan måle en enkelt elektronforskjell i en enkelt partikkel.

“Ved å kombinere gjennombrudd innen mikroskopi-maskinvare og signalbehandling, er vi i stand til å studere fenomener på stadig mindre nivåer,” kommenterer Yasukazu Murakami, professor ved Kyushu Universitys fakultet for ingeniørvitenskap og veileder for Kyushu U-teamet.

“I denne første demonstrasjonen målte vi ladningen på en enkelt nanopartikkel i vakuum. I fremtiden håper vi å overvinne utfordringene som for øyeblikket hindrer oss i å gjøre de samme målingene i nærvær av gass for å få informasjon i miljøer nærmere faktiske applikasjoner .”

---

---

Levert av Kyushu University