Hvor mange elektriske ladninger har en platinananopartikkel? Takket være en forbedret elektronholografiteknikk med høy presisjon er det nå mulig å svare på dette spørsmålet ved å telle ladningene direkte, ned til nivået til et enkelt elektron. Teknikken, utviklet av forskere ved Kyushu University og Hitachi Ltd i Japan, kan hjelpe forskere med å lage mer effektive katalysatorer.
Å fjerne bare én eller to negative ladninger fra en nanopartikkel kan endre oppførselen som katalysator betydelig. Av denne grunn er å bestemme ladningstilstanden til individuelle nanopartikler på en metalloksidoverflate en viktig oppgave for katalysatorteknikk, forklarer teamleder Yasukazu Murakami, en kvantematerialforsker ved Kyushu. Problemet er at dagens teknikker for å gjøre dette, for eksempel røntgenfotoemisjonsspektroskopi, bare gir ladningsinformasjon i gjennomsnitt over mange nanopartikler.
Elektronholografi
I det nye arbeidet brukte forskerne elektronholografi (en type transmisjonselektronmikroskopi) for å direkte identifisere det elektrostatiske potensialet som skapes av nanopartikler av platina på en overflate av titanoksid – en kombinasjon av materialer som ofte brukes som katalysator for å fremskynde kjemiske reaksjoner . I elektronholografi produserer et elektron som interagerer med elektriske og magnetiske felt en faseforskyvning i elektronets bølgefunksjon som deretter kan identifiseres ved å sammenligne det med et referanseelektron som ikke har samhandlet med et felt.
Ved å måle feltene rundt platinananopartiklene, bestemte Murakami og kolleger antall "ekstra" eller "manglende" elektroner assosiert med dem. Målingene deres viste at en nanopartikkel kunne få eller miste hvor som helst mellom ett og seks elektroner.
Forskerne sier at mekanismen bak platinalading innebærer en forskjell i arbeidsfunksjonene (energien som kreves for å fullstendig trekke et elektron fra en metalloverflate) av platina og titandioksid (TiO)2). Denne forskjellen avhenger av orienteringen til nanopartikler på TiO2 og forvrengningen av krystallgitteret.
Reduserer mekanisk og elektrisk støy
Et sentralt element i forskernes prestasjoner var en serie forbedringer gjort av et 1.2-MV atomoppløsnings holografimikroskop utviklet og drevet av Hitachi. Dette instrumentet reduserer mekanisk og elektrisk støy og behandler deretter dataene for å fjerne signalet fra støyen ytterligere, forklarer Murakami.
Kvanteholografi avbilder objekter med uoppdaget lys
"Høypresisjonselektronholografi kan brukes på banebrytende studier innen kondensert materiefysikk, uorganisk kjemi, inkludert katalyse, spintroniske/halvlederenheter, nye typer batterier og andre emner der en omfattende elektromagnetisk feltanalyse er avgjørende," han forteller Fysikkens verden.
I denne studien, som er detaljert i Vitenskap, forskerne målte ladningen på enkelt nanopartikler i et vakuum. Men i fremtiden håper de å gjenta eksperimentene sine i et gassholdig miljø. "Slike studier vil reflektere forholdene der arbeidskatalysatorer brukes," sier Murakami.
